一种非晶-多晶结构的金属氧化物-煤矸石催化剂的制备方法及应用技术

一种非晶

【技术实现步骤摘要】
一种非晶
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多晶结构的金属氧化物
‑
煤矸石催化剂的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于有机体系锂氧气电池
，具体公开了一种非晶
‑
多晶结构的金属氧化物
‑
煤矸石催化剂的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]得益于＞3500Wh kg
‑1的高理论能量密度，锂
‑
氧气电池被认为能取代锂离子电池的下一代新型储能器件。然而，阴极发生的氧还原
‑
析出反应(ORR
‑
OER)动力学过于缓慢，导致锂
‑
氧气电池极化电势高、循环耐久性差，从而限制了其大规模实际应用。高效、稳定的阴极催化剂的引入可以显著地提高ORR和OER的反应速率，是解决上述锂
‑
氧气电池问题的关键。
[0003]煤矸石作为煤炭开采和洗选过程中产生的固体废物，其不合理排放和堆积已造成了很大的污染和浪费。但煤矸石物具有的多活性组分共存层状结构，不仅可以改善催化活性位点的分散性，还可以促进催化过程中载流子扩散传输，因此煤矸石可作为纳米级阴极材料的理想前驱体。而天然煤矸石结构致密，矿物成分复杂，结构可控性差，催化活性低。同时针对煤矸石在锂
‑
氧气电池中的催化利用研究较少，尤其是在电池高电位
‑
有机电解液环境下，矸石发生分子级微观层次的结构调控形成具有高活性的储能材料，其内在的演变过程及电化学活性调控机理尚不清晰。因此，煤矸石基电催化剂的合理设计仍然是一个很大的挑战。

技术实现思路

[0004]技术问题：针对现有技术中的不足之处，提供一种在锂氧气电池应用中表现出高效的催化性能和优异的稳定性，该制备工艺简单，原材料成本低廉，具有广阔的应用前景的非晶
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多晶结构的金属氧化物
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煤矸石催化剂的制备方法及应用。
[0005]技术方案，为实现上述技术目的，本专利技术的一种非晶
‑
多晶结构的金属氧化物
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煤矸石催化剂的制备方法，通过弱碱煅烧法对矸石表面进行活化促进硅酸盐测形成，接着利用酸浸法对煤矸石表面提纯改性制备出表面富含SiO2的矸石前驱体，同时强酸进一步对煤矸石表面刻蚀造孔以优化煤矸石表面结构，提高其在电化学储能应用中的本征活性，之后通过高温水热反应在表面富含SiO2的矸石载体表面上负载一层金属氧化物纳米颗粒增强复合材料整体稳定性，并且引入异原子N对金属氧化物晶格的掺杂形成具有高电化学活性的Metal
‑
N化合键来进一步提高煤矸石的电催化性能，同时水热条件下金属氧化物的负载反应能促进矸石表面SiO2的晶格失稳，形成具有非晶
‑
多晶共存的特殊异质结构，为煤矸石在储能器件中的高附加值应用提供了潜在途径。
[0006]具体步骤为：
[0007]S1、将煤矸石粉末与碳酸钠混合，然后将混合物进行高温焙烧，高温下煤矸石中的二氧化硅与碳酸钠反应生成硅铝酸钠，实现对煤矸石的前期活化；
[0008]S2、将煅烧后的产物加入稀硫酸进行酸浸搅拌，调节酸浸液的pH值到2后离心，硫酸溶解矸石表面的杂质组分，杂质组分包括铝、铁，利用去离子水和酒精清洗后收集沉淀物，再利用烘箱干燥沉淀物即为活性煤矸石前驱体；
[0009]S3、将(NH4)6Mo7O
24
·
4H2O、葡萄糖和制备好的活性煤矸石前驱体一起加入去离子水，搅拌均匀后一起加入水热釜进行高温水热反应，在高温高压环境下(NH4)6Mo7O
24
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4H2O将作为有效钼源和氮源在活性煤矸石前驱体表面形成MoO2纳米颗粒来进一步增强矸石稳定性，氮源也会掺杂进MoO2晶格中形成高活性Mo
‑
N化合键，同时水热条件下MoO2的负载反应能促进矸石表面二氧化硅的晶格失稳，形成具有非晶
‑
多晶共存的特殊异质结构；将(NH4)6Mo7O
24
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4H2O换成硝酸铈，其他条件包括反应质量比，反应步骤，反应时间都不变即可制备成CeO2@煤矸石电催化剂；将(NH4)6Mo7O
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·
4H2O换成钴氰化钾，其他条件不变即可制备成Co3O4@煤矸石电催化剂；将(NH4)6Mo7O
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·
4H2O换成铁氰化钾，其他条件不变即可制备成Fe2O3@煤矸石电催化剂；
[0010]S4、取出水热釜中的沉淀物，利用去离子水和乙醇离心清洗，收集清洗后的沉淀物进行干燥，即可获得MoO2@煤矸石电催化剂。
[0011]进一步，煤矸石粉末与碳酸钠Na2CO3的质量混合比为10:6。
[0012]进一步，步骤S1中对混合物高温焙烧的温度为700
‑
1000℃，焙烧时间控制在2
‑
3h。
[0013]进一步，步骤S2中向干燥的酸浸产物加入的H2SO4溶液，浓度6mol
‑
L，H2SO4溶液与酸浸产物质量比为3：1左右。
[0014]进一步，加入水热釜的混合溶液包括：(NH4)6Mo7O
24
·
4H2O、葡萄糖、活性煤矸石前驱体以质量比为20：5：4溶解在去离子水中,活性煤矸石前驱体质量控制在30
‑
80mg。
[0015]进一步，加入水热釜的混合溶液的水热反应温度控制在160
‑
200℃，反应时间为10
‑
14小时。
[0016]进一步，干燥温度均为60℃。
[0017]一种非晶
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多晶结构的金属氧化物
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煤矸石催化剂的应用，将金属氧化物
‑
煤矸石电催化剂：MoO2@煤矸石、CeO2@煤矸石、Co3O4@煤矸石、Fe2O3@煤矸石喷涂在锂
‑
氧气电池阴极表面，作为催化介质促进电极反应动力学并且降低循环过电位，显著提高电极反应过程中的离子相互作用来优化锂氧气电池性能。
[0018]一种锂
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氧气电池，在电池阴极表面上设有一层非晶
‑
多晶结构的金属氧化物
‑
煤矸石催化剂涂层。
[0019]有益效果：
[0020]本专利技术公布的锂氧气电池煤矸石基正极催化剂的优点是：i)非晶态层状结构的活性矸石基底能优化复合材料的结构稳定性，为放电产物的沉积提供了充足的空间；ii)N掺杂金属氧化物纳米颗粒作为活性位点增强电极反应中离子间的相互作用，优化充放电产物形成过程；iii)过电势显著降低，倍率性能优异，循环稳定性大大提升。我们的专利技术主要通过简便的物化反应来优化煤矸石材料的表面化学性质，并首次证明改性矸石能作为锂氧气电池阴极电催化剂来改善电化学性能，为煤矸石在储能器件中的高附加值应用提供了潜在途径。
[0021]本方法利用煤基固废矸石作为前驱体对其进行功能化改本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非晶
‑
多晶结构的金属氧化物
‑
煤矸石催化剂的制备方法，其特征在于：通过弱碱煅烧法对矸石表面进行活化促进硅酸盐测形成，接着利用酸浸法对煤矸石表面提纯改性制备出表面富含SiO2的矸石前驱体，同时强酸进一步对煤矸石表面刻蚀造孔以优化煤矸石表面结构，提高其在电化学储能应用中的本征活性，之后通过高温水热反应在表面富含SiO2的矸石载体表面上负载一层金属氧化物纳米颗粒增强复合材料整体稳定性，并且引入异原子N对金属氧化物晶格的掺杂形成具有高电化学活性的Metal
‑
N化合键来进一步提高煤矸石的电催化性能，同时水热条件下金属氧化物的负载反应能促进矸石表面SiO2的晶格失稳，形成具有非晶
‑
多晶共存的特殊异质结构，为煤矸石在储能器件中的高附加值应用提供了潜在途径。2.根据权利要求1所述一种非晶
‑
多晶结构的金属氧化物
‑
煤矸石催化剂的制备方法，其特征在于具体步骤为：S1、将煤矸石粉末与碳酸钠混合，然后将混合物进行高温焙烧，高温下煤矸石中的二氧化硅与碳酸钠反应生成硅铝酸钠，实现对煤矸石的前期活化；S2、将煅烧后的产物加入稀硫酸进行酸浸搅拌，调节酸浸液的pH值到2后离心，硫酸溶解矸石表面的杂质组分，杂质组分包括铝、铁，利用去离子水和酒精清洗后收集沉淀物，再利用烘箱干燥沉淀物即为活性煤矸石前驱体；S3、将(NH4)6Mo7O
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4H2O、葡萄糖和制备好的活性煤矸石前驱体一起加入去离子水，搅拌均匀后一起加入水热釜进行高温水热反应，在高温高压环境下(NH4)6Mo7O
24
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4H2O将作为有效钼源和氮源在活性煤矸石前驱体表面形成MoO2纳米颗粒来进一步增强矸石稳定性，氮源也会掺杂进MoO2晶格中形成高活性Mo
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N化合键，同时水热条件下MoO2的负载反应能促进矸石表面二氧化硅的晶格失稳，形成具有非晶
‑
多晶共存的特殊异质结构；将(NH4)6Mo7O
24
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4H2O换成硝酸铈，其他条件包括反应质量比，反应步骤，反应时间都不变即可制备成CeO2@煤矸石电催化剂；将(NH4)6Mo7O
24
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4H2O换成钴氰化钾，其他条件不变即可制备成Co3O4@煤矸石电催化剂；将(NH4)6Mo7O
24
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4H2O换成铁氰化钾，其他条件不变即可制备成Fe2O3@煤矸石电催化剂；S4、取出水热釜中的沉淀物，利用去离子水和...

【专利技术属性】
技术研发人员：张吉雄，孙志辉，李猛，周楠，闫浩，张罗斌，康世龙，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：