一种具有双金属尖晶石结构的双功能氧电催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种二氧化钛负载的具有双金属尖晶石结构的双功能氧电催化剂的制备方法。首先将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、乙酰丙酮钴和乙酰丙酮铁溶解在乙醇中，搅拌得到清澈透明的溶胶。将钛酸正四丁酯(TBT)溶解在酒精和醋酸的混合溶液中，得到溶液。两者混合后进行静电纺丝制成纳米纤维膜，经过高温退火得到双金属尖晶石催化剂。催化剂材料内部具有大量孔结构和纳米通道，有利于电子传导，尖晶石结构的双金属存在形式使得催化剂在氧电催化中表现出高起始电位、低过电位、高极限电流密度以及低过电位间隙。该催化剂材料制备工艺流程简单、成本低廉，在锌空气电池阴极等方面有着广泛的应用前景和价值。用前景和价值。用前景和价值。

【技术实现步骤摘要】
一种具有双金属尖晶石结构的双功能氧电催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及燃料电池领域，尤其是指一种具有双金属尖晶石结构的双功能氧电催化剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]当今世界，全球对清洁能源和可再生能源的需求正持续增长，太阳能和风能是目前世界上应用最多的可再生能源资源，但是它们的能源供应在很大程度上取决于天气。因此，需要采用有效的能量储存和转换技术来补偿不稳定的太阳辐射和风能。在已有的储能技术中，金属
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空气电池具有较高的理论能量密度，并且是从空气中获取氧气作为其阴极材料，因此成为了下一代电化学储能器件的重点关注对象。金属空气电池主要由三个部分组成：金属负极、电解液和涂有催化剂的气体扩散层组成的空气正极。其中正极催化剂材料极大程度制约着电化学反应的效率和稳定。
[0003]氧电催化是电化学和催化领域的热门研究方向之一，这主要是因为它对电化学能量转换和储能器件的研发具有重要意义。它涉及电化学系统中的氧电极反应，其中包括空气电池放电过程中的氧还原反应(ORR)和电池充电过程中阳极发生的析氧反应(OER)。
[0004]基于上述反应原理，为了将锌空气电池的ORR和OER动力学提高到实际应用水平，需要开发具备两种反应催化活性的双功能催化剂。研究发现，过渡金属氧化物的不同价态和丰富的晶体结构使它们具有优异的氧化还原电化学性质。此外，过渡金属还具有存量高、成本低等优点。因此，过渡金属/金属氧化物作为潜在的双功能电催化剂被广泛研究。
[0005]为提高过渡金属催化剂的稳定性，通常需要开发稳定且耐腐蚀的催化剂载体。二氧化钛作为一种过渡金属氧化物，其化学稳定性优于碳材料，可以防止电池运行过程中产生的电化学腐蚀，这将极大地提升催化剂在电化学过程中的催化能力。因其结构稳定、化学稳定性高、反应活性高、环境友好和成本低等优点，成为催化剂载体的理想材料。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种具有双金属尖晶石结构的双功能氧电催化剂及其制备方法与应用。该制备方法工艺简单，成本低廉，制备的催化剂材料具有优异的氧电催化活性和稳定性。
[0007]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0008]本专利技术的第一个目的在于提供一种具有双金属尖晶石结构的双功能氧电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)，将络合剂、钴源和铁源溶解在溶剂中，搅拌，得到澈透明的溶胶；
[0010](2)，将钛源溶液加入到步骤(1)所述的溶胶中，混匀，通过静电纺丝制成纤维膜；
[0011](3)，在惰性气氛保护下，将步骤(2)中所述的纤维膜煅烧得到所述双功能氧电催化剂。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，步骤(1)中，所述络合剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇和聚己内酯中的一种或多种；所述络合剂在后续碳化过程作为制孔剂。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，步骤(1)中，所述络合剂的浓度为6wt％
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14wt％。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，步骤(1)中，所述钴源为乙酰丙酮钴和/或六水合硝酸钴；所述铁源为乙酰丙酮铁和/或六水合硝酸铁；所述乙酰丙酮钴和乙酰丙酮铁中的钴和铁的原子数量比为1：3
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3：1。
[0015]在本专利技术的一个实施例中，步骤(1)中，所述溶剂选自乙醇、丙酮、甲醇和N,N
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二甲基甲酰胺中的一种或多种。
[0016]在本专利技术的一个实施例中，步骤(1)中，所述搅拌的温度为20℃
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30℃，搅拌时间为2h
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3h。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，步骤(2)中，所述钛源的浓度为8wt％
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20wt％。
[0018]在本专利技术的一个实施例中，步骤(2)中，所述钛源选自钛酸正四丁酯、四异丙醇钛和钛酸异丙酯中的一种或多种。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，步骤(2)中，所述钛源溶液的溶剂为乙醇和醋酸的混合溶剂。
[0020]在本专利技术的一个实施例中，步骤(3)中，所述静电纺丝的环境参数：温度为23℃
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27℃，湿度为52％
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58％；所述静电纺丝的注射泵设备参数：推进速度1mL/h
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1.5mL/h，电压10kV
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25kV，喷雾针头直径0.5mm
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0.8mm，针头到接收滚筒的距离12cm
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15cm，接收滚筒上覆盖一层硅油纸。
[0021]在本专利技术的一个实施例中，步骤(3)中，将步骤(2)所述的溶液逐滴加入到步骤(1)所述的溶胶中，通过磁力搅拌器混合均匀后，加入到注射泵中，通过静电纺丝制成纳米纤维膜。
[0022]在本专利技术的一个实施例中，步骤(4)中，所述煅烧的参数：升温速率为5℃/min
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10℃/min，升温温度为450℃
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500℃，保温时间为2h
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3h，所述惰性气氛的气体为氮气和/或惰性气体。
[0023]本专利技术的第二个目的在于提供用上述制备方法所得的双功能氧电催化剂。
[0024]本专利技术的第三个目的在于提供用上述制备方法所得的双功能氧电催化剂在燃料电池中的应用。
[0025]具体的，所述双功能氧电催化剂在燃料电池中的应用，是在燃料电池中参与电池放电过程中的析氧反应和氧还原反应。
[0026]具体的，所述双功能氧电催化剂在燃料电池中的应用，是作用于电池电极，作用于阴极。
[0027]在本专利技术的一个实施例中，所述燃料电池为金属空气电池。
[0028]本专利技术的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0029]1、本专利技术通过筛选合适的钛源、钴源和铁源作为催化剂前驱体材料，制备出的双金属尖晶石结构催化剂有着优异的催化活性和稳定性，双金属尖晶石结构分子式为CoFe2O4。
[0030]2、本专利技术通过简单的静电纺丝和管式炉煅烧工艺制备了双金属尖晶石结构氧电催化剂，该方法工艺简单，参数易于调整，具有低能、低成本、灵活可调等优点。
[0031]3、本专利技术在纺丝原液的设计上是溶液
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溶胶混合，以二氧化钛作为负载基底，工艺设置常规，易于实现。
[0032]4、本专利技术中制备的氧电催化剂析氧活性高，在1.0MKOH中，在10mA
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cm
‑2的电流密度下表现出284mV的过电位，塔菲尔斜率仅为54mV
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dec
‑1，这显示了双金属尖晶石结构对电子传导的优势以及催化活性位点的充足。
[0033]5、本专利技术中制备的氧电催化剂氧还原性能优异，表现出0.88V的初始电位，经过5000次CV循环后，半波电位仅负移9mV，这显示了催化剂优异的反应稳定性。
[0034]6、本专利技术中植被的氧电催化剂10mA
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cm
‑2的OER过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有双金属尖晶石结构的双功能氧电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)，将络合剂、钴源和铁源溶解在溶剂中，搅拌得到溶胶；(2)，将钛源溶液加入到步骤(1)所述的溶胶中，混匀，通过静电纺丝制成纤维膜；(3)，在惰性气氛保护下，将步骤(2)中所述的纤维膜煅烧得到所述双功能氧电催化剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述络合剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇和聚己内酯中的一种或多种；所述络合剂的浓度为6wt％
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14wt％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述钴源为乙酰丙酮钴和/或六水合硝酸钴；所述铁源为乙酰丙酮铁和/或六水合硝酸铁；所述钴源和铁源中的钴和铁的摩尔比为1：3
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3：1。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述溶剂为乙醇、丙酮、甲醇和N,N
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二甲基甲酰胺中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述钛源选自钛酸正四丁酯、四异丙醇钛和钛酸异丙酯中的一种或多种；所述钛源的浓度为8wt％
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【专利技术属性】
技术研发人员：王萍，席瑞凡，徐晓婷，张岩，李媛媛，徐岚，刘福娟，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：