用于空气电池的金属合金复合催化剂、制备方法和空气电池技术

本发明专利技术属于新能源材料领域，具体涉及用于空气电池的金属合金复合催化剂、制备方法和空气电池，催化剂为Fe

【技术实现步骤摘要】
用于空气电池的金属合金复合催化剂、制备方法和空气电池


[0001]本专利技术属于新能源
，具体涉及一种用于空气电池的金属合金复合催化剂、制备方法和空气电池。
技术背景
[0002]随着工业高速发展，资源消耗量越来越大，能源短缺问题日益突出。城市的可持续发展与健康城市的建设迫切要求从化石能源经济转向清洁能源经济，所以最近全球都在积极的进行研究关于可持续能源的获得、转换和储存，而电池长期以来被认为是有效的能源转换和储存装置。锂离子电池是最常用的供电设备，但锂离子电池材料中常用的钴和镍等重金属元素，不仅资源稀有、价格昂贵，而且对环境也有不利影响。随着我国电动汽车产量快速增长，锂离子电池产能的提升，碳酸锂价格飞涨，导致锂离子电池成本过高，而且废弃的锂离子电池中含有多种有毒害性物质，具有很强的腐蚀性和污染性。
[0003]作为锂离子电池技术代替技术之一，锌
‑
空气电池引起了广泛的关注。锌
‑
空气电池具有很高的理论能量密度，约高于目前的锂离子电池的5倍。锌的价格也远低于锂，锌
‑
空气电池的成本远低于锂离子电池。锌
‑
空气电池摒弃了传统电池中的铅、贡、镉等有毒物质，解决了传统电池的污染问题。而且电池使用后的主要反应产物是氧化锌，可以方便的回收利用。在许多应用上，锌
‑
空气电池都能提供很高的能量密度。尽管起步早，潜力巨大，但碍于催化剂缓慢的动力学，锌
‑
空气电池的开发受到阻碍。由于对ORR而言有效的催化剂通常不利于OER，因此高效、稳定的ORR/OER双功能催化剂的开发将显著的提高锌
‑
空气电池的效率。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种用于空气电池的金属合金复合催化剂、制备方法和空气电池，使用该催化剂的锌
‑
空气电池在弯曲状态下可以展现出良好的放电性能，性能稳定。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种用于空气电池的金属合金复合催化剂，催化剂为Fe
1.5
Ni@NC/NCNTs，催化剂包括N掺杂石墨碳包覆的Fe
1.5
Ni纳米颗粒和N掺杂碳纳米管；Fe
1.5 Ni纳米颗粒的直径为100
‑
200纳米。
[0006]其中，石墨碳包覆层数为1
‑
3层，每层厚度为50
‑
100纳米，催化剂中Fe/Ni含量为7.5wt％。
[0007]其中，N掺杂碳纳米管的直径为50
‑
100纳米，长度为1
‑
2微米。
[0008]其中，N掺杂石墨碳包覆的Fe
1.5
Ni纳米颗粒位于N掺杂碳纳米管的外壁。
[0009]本申请还包括第二种技术方案，一种制备上述的用于空气电池的金属合金复合催化剂的方法，包括以下步骤：
[0010]在分散有碳纳米管的二甲基乙酰胺(DMF)溶液中，分别加入酞菁铁的二甲基乙酰胺溶液和酞菁镍的二甲基乙酰胺溶液，形成混合液A；
[0011]将混合液A搅拌反应一定时间，并加入三聚氰胺超声处理，并过滤、干燥，获得中间产物B；
[0012]将中间产物B在氮气氛围下先在400
‑
420℃条件下煅烧，再在700
‑
750℃条件下煅烧，获得中间产物M，并将中间产物M用硫酸溶液处理，获得Fe
1.5
Ni@NC/NCNTs催化剂。
[0013]其中，在400
‑
420℃条件下煅烧的时间为1
‑
3小时，从室温升至400
‑
420℃的升温速率为2
‑
4℃min
‑1。
[0014]其中，在700
‑
750℃条件下煅烧的时间为0.5
‑
2小时，升温速率为5
‑
10℃min
‑1。
[0015]其中，碳纳米管的二甲基乙酰胺溶液的浓度为3
‑
5mg mL
‑1；酞菁铁的二甲基乙酰胺溶液的浓度为3
‑
5mg mL
‑1；酞菁镍的二甲基乙酰胺溶液的浓度为3
‑
5mg mL
‑1。
[0016]其中，混合液A搅拌反应的一定时间为6
‑
8h；加入三聚氰胺超声处理的时间为0.5
‑
2h，优选为1h。
[0017]其中，碳纳米管、酞菁铁、酞菁镍和三聚氰胺的质量比为1:5:5:(3
‑
5)。
[0018]其中，硫酸溶液的浓度为0.5M/L，用硫酸溶液处理浸泡处理24
‑
48h。
[0019]其中，中间产物B中，其中，酞菁铁(FePc)和酞菁镍(NiPc)通过π
‑
π键吸附在碳纳米管(CNTs)表面，三聚氰胺分子中的氢键和胺基键与CNTs中的含氧官能团发生相互作用，形成质子化胺和羧基离子键吸附在CNTs表面。
[0020]本申请还包括第三种技术方案，一种空气电池，包括阳极和空气电极，阳极包括锌片；空气电极包括载体，设置在载体两面的催化剂，催化剂包括上述的用于空气电池的金属合金复合催化剂，催化剂为Fe
1.5
Ni@NC/NCNTs。
[0021]本专利技术的优点和有益效果在于：
[0022](1)本专利技术的用于空气电池的金属合金复合催化剂，稳定性高，比表面积大，金属纳米颗粒的稳定性高，在在电池工作中提高了ORR和OER反应的稳定性，解决了纳米颗粒催化剂自聚集的问题，并且电池在弯曲时也可以展现出良好的放电性能，其性能远超当前使用的商业20wt.％Pt/C催化剂。
[0023](2)本专利技术的用于空气电池的金属合金复合催化剂的制备方法，制备过程简单，成本低、工艺可控性强、易操作、重复性好、可大规模制备等优势，在清洁电化学能量储存上有很好的应用前景。
附图说明
[0024]图1是本专利技术实施例用于空气电池的金属合金复合催化剂的TEM照片；
[0025]图2是本专利技术实施例金属合金复合催化剂和Pt
‑
Ir/C催化剂制备的简易锌
‑
空气电池的LSV曲线以及对应的功率密度曲线图；
[0026]图3是本专利技术实施例金属合金复合催化剂和Pt
‑
Ir/C催化剂制备的简易锌
‑
空气电池的放电极化曲线图；
[0027]图4是本专利技术实施例金属合金复合催化剂和Pt
‑
Ir/C催化剂制备的简易锌
‑
空气电池的长时间充电测试曲线图；
[0028]图5是本专利技术实施例金属合金复合催化剂和Pt
‑
Ir/C组装的锌
‑
空气电池在不同电流电流密度下的放电测试曲线图。
具体实施方式
[0029本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于空气电池的金属合金复合催化剂，其特征在于，所述催化剂为Fe
1.5
Ni@NC/NCNTs，催化剂包括N掺杂石墨碳包覆的Fe
1.5
Ni纳米颗粒和N掺杂碳纳米管；Fe
1.5
Ni纳米颗粒的直径为100
‑
200纳米。2.根据权利要求1所述的用于空气电池的金属合金复合催化剂，其特征在于，所述石墨碳包覆层数为1
‑
3层，每层厚度为50
‑
100纳米，催化剂中Fe
1.5
Ni含量为7.5wt％；N掺杂碳纳米管的直径为50
‑
100纳米，长度为1
‑
2微米。3.根据权利要求1或2所述的用于空气电池的金属合金复合催化剂，其特征在于，所述N掺杂石墨碳包覆的Fe
1.5
Ni纳米颗粒位于所述N掺杂碳纳米管的外壁。4.一种制备权利要1
‑
3任一项所述的用于空气电池的金属合金复合催化剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：在分散有碳纳米管的二甲基乙酰胺溶液中，分别加入酞菁铁的二甲基乙酰胺溶液和酞菁镍的二甲基乙酰胺溶液，形成混合液A；将所述混合液A搅拌反应一定时间，并加入三聚氰胺超声处理，并过滤、干燥，获得中间产物B；将所述中间产物B在氮气氛围下先在400
‑
420℃条件下煅烧，再在700
‑
750℃条件下煅烧，获得中间产物M，并将中间产物M用硫酸溶液处理，获得Fe
1.5
Ni@NC/NCNTs催化剂。5.根据权利要求4所述的制备用于空气电池的金属合金复合催化剂的方法，其特征在于，所述在400
‑
420℃条件下煅烧的时间为1

【专利技术属性】
技术研发人员：叶达洲，
申请(专利权)人：杭州安嘉睿科技有限公司，
类型：发明
国别省市：