钴基尖晶石氧电催化材料及其制备方法和锂氧电池氧阴极及其制备方法技术

本发明专利技术提供了钴基尖晶石氧电催化材料及其制备方法和锂氧电池氧阴极及其制备方法，属于电极材料领域。该方法包括：将锌盐、铜盐和钴盐溶解于水中，得到混合溶液；将尿素在混合溶液中分散，得到分散溶液；将分散溶液进行热处理，然后离心去上清，再用水和乙醇交替重复清洗，获得前驱体沉淀；将前驱体沉淀烘干后磨成粉末，然后煅烧得到钴基尖晶石氧电催化材料，其表达式为Cu

【技术实现步骤摘要】
钴基尖晶石氧电催化材料及其制备方法和锂氧电池氧阴极及其制备方法


[0001]本专利技术属于电极材料领域，具体涉及钴基尖晶石氧电催化材料及其制备方法和锂氧电池氧阴极及其制备方法。

技术介绍

[0002]日益增长的能源需求推动了高能量密度电池的蓬勃发展，对缓解能源需求和环境问题具有重要意义。其中非质子锂氧电池基于可逆反应具有超高理论能量密度(3500Wh kg
‑1)，被认为是下一代电池中最有前途的储能设备。然而，绝缘不溶性过氧化锂(Li2O2)的积累阻塞了阴极表面活性位点，阻碍了O2和电子的转移，导致氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)动力学缓慢。大尺寸Li2O2团聚体使锂氧电池具有较大的放电容量，但在随后的OER中难以分解，导致充电电压高。相反，薄膜状Li2O2在低充电电压下易于分解，但在完全覆盖催化剂表面后难以继续生长，导致锂氧电池放电容量不理想。
[0003]由于Li2O2生长在阴极表面，因此设计一种合适的具有可调表面吸附能力的催化剂来改变Li2O2沉积状况去提升锂氧电池性能是非常可行的。ZnCo2O4由于其易于调节的Co三维轨道而成为阴极催化剂的理想选择。
[0004]ZnCo2O4是一种典型的三元尖晶石型结构的复合氧化物，其中Zn
2+
占据四面体空隙，而Co
3+
占据八面体空隙，是一种经济、环保、分布广泛的钴基尖晶石。然而，由于ZnCo2O4中的Co
3+
大部分以低自旋构型存在，e
g
轨道占用较少，使得对关键反应中间体吸附能过强，导致薄膜状Li2O2的生长，导致锂氧电池放电容量较低。
[0005]因此，我们可以通过自旋调控工程对ZnCo2O4进行改性从而改变了Li2O2生长机制，实现锂氧电池性能的改善。
[0006]基于此，特提出此专利技术。

技术实现思路

[0007]本专利技术解决的第一个问题是提供钴基尖晶石氧电催化材料，其结构式如下：
[0008]Cu
x
Zn1‑
x
Co2O4，
[0009]其中，x的范围为0.1
‑
0.5；优选的，x的范围为0.15
‑
0.25；更优选的，x的值为0.15。
[0010]本专利技术解决的第二个问题是提供钴基尖晶石氧电催化材料的制备方法，包括如下步骤：
[0011](1)将锌盐、铜盐和钴盐溶解于水中，得到混合溶液；
[0012](2)将尿素在步骤(1)所得的混合溶液中分散，得到分散溶液；
[0013](3)将步骤(2)所得的分散溶液进行热处理，然后离心去上清，再用水和乙醇交替重复清洗，获得前驱体沉淀；
[0014](4)将步骤(3)所得的前驱体沉淀烘干后磨成粉末，然后煅烧得到钴基尖晶石氧电催化材料，其表达式为Cu
x
Zn1‑
x
Co2O4，其中，x的范围为0.1
‑
0.5；优选的，x的范围为0.15
‑
0.25；更优选的，x的值为0.15；
[0015]锌盐、铜盐和钴盐均为可溶性盐；优选的，锌盐、铜盐和钴盐为硝酸锌、硝酸铜和硝酸钴。
[0016]锌盐、铜盐和钴盐溶解于水中，主要是提供锌离子、铜离子、钴离子。在本专利技术中，锌盐、铜盐和钴盐优选为硝酸锌、硝酸铜和硝酸钴。
[0017]热处理过程主要是使尿素受热分解，其水解产物与溶液中的锌离子、铜离子、钴离子反应生成前驱体沉淀，然后经离心、洗涤、烘干及高温煅烧得到Cu
x
Zn1‑
x
Co2O4(x＝0.1
‑
0.5)催化材料。
[0018]在一个具体实施方式中，混合溶液中钴盐的摩尔浓度为0.030
‑
0.035mol/L；
[0019]锌盐、铜盐、钴盐、尿素的摩尔比为(0.5
‑
0.9):(0.1
‑
0.5):2:(18
‑
22)；优选的，锌盐、铜盐、钴盐、尿素的摩尔比为(0.75
‑
0.85):(0.15
‑
0.25):2:(18
‑
22)；更优选的，锌盐、铜盐、钴盐、尿素的摩尔比为0.85:0.15:2:20；
[0020]其中，锌盐、铜盐、钴盐分别以锌离子、铜离子、钴离子计。
[0021]在一个具体实施方式中，步骤(2)分散过程还进行搅拌。
[0022]在分散过程加入搅拌，有利于尿素能更好的分散和溶解在混合溶液中，搅拌优选使用磁力搅拌机搅拌。
[0023]在一个具体实施方式中，步骤(3)分散溶液在155
‑
165℃下热处理10
‑
14h；所述热处理在聚四氟乙烯内衬高压釜中进行。
[0024]在一个具体实施方式中，步骤(4)烘干是置于烘箱中70℃下干燥12h。
[0025]在一个具体实施方式中，步骤(4)煅烧是于430
‑
450℃煅烧3
‑
4h；所述煅烧在连通空气管式炉中进行。
[0026]本专利技术解决的第三个问题是提供锂氧电池氧阴极的制备方法，包括如下步骤：将上述的钴基尖晶石氧电催化材料与导电剂、粘接剂混合，并加入N
‑
甲基吡咯烷酮制得均匀浆液，再将所述均匀浆液涂抹在碳布上，待其干燥后，即为锂氧电池氧阴极。
[0027]在一个具体实施方式中，钴基尖晶石氧电催化材料、导电剂、粘接剂、N
‑
甲基吡咯烷酮的质量比为8:1:1:100；
[0028]所述导电剂为炭黑导电剂；
[0029]所述粘接剂为聚偏二氟乙烯。
[0030]钴基尖晶石氧电催化材料与导电剂、粘接剂混合，并加入N
‑
甲基吡咯烷酮制得均匀浆液，再将所述均匀浆液涂抹在直径为16毫米的碳布上，待其干燥后制得载荷为1mg cm
‑2的锂氧电池氧阴极，其中，钴基尖晶石氧电催化材料与导电剂、粘接剂、N
‑
甲基吡咯烷酮的质量比8:1:1:100。
[0031]本专利技术解决的第四个问题是提供锂氧电池氧阴极，由上述的锂氧电池氧阴极的制备方法制备得到。
[0032]与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
[0033]1.本专利技术通过水热法在ZnCo2O4的四面体上引入适量的Cu
2+
，构建了一种高效的阴极催化剂，即Cu
x
Zn1‑
x
Co2O4(x＝0.1
‑
0.3)。这种构造导致了一种新的与Zn
2+(Td)
‑
O
‑
Co
3+(Oh)
不同的共顶氧连接(Cu
2+(Td)
‑
O
‑
Co
3+(Oh)
)的出现，间接优化八面体配位结构，也实现了Co位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.钴基尖晶石氧电催化材料，其特征在于，结构式如下：Cu
x
Zn1‑
x
Co2O4，其中，x的范围为0.1
‑
0.5；优选的，x的范围为0.15
‑
0.25；更优选的，x的值为0.15。2.钴基尖晶石氧电催化材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将锌盐、铜盐和钴盐溶解于水中，得到混合溶液；(2)将尿素在步骤(1)所得的混合溶液中分散，得到分散溶液；(3)将步骤(2)所得的分散溶液进行热处理，然后离心去上清，再用水和乙醇交替重复清洗，获得前驱体沉淀；(4)将步骤(3)所得的前驱体沉淀烘干后磨成粉末，然后煅烧得到钴基尖晶石氧电催化材料，其表达式为Cu
x
Zn1‑
x
Co2O4，其中，x的范围为0.1
‑
0.5；优选的，x的范围为0.15
‑
0.25；更优选的，x的值为0.15；锌盐、铜盐和钴盐均为可溶性盐。3.根据权利要求2所述的钴基尖晶石氧电催化材料的制备方法，其特征在于，混合溶液中钴盐的摩尔浓度为0.030
‑
0.035mol/L；锌盐、铜盐、钴盐、尿素的摩尔比为(0.5
‑
0.9):(0.1
‑
0.5):2:(18
‑
22)；优选的，锌盐、铜盐、钴盐、尿素的摩尔比为(0.75
‑
0.85):(0.15
‑
0.25):2:(18

【专利技术属性】
技术研发人员：龙剑平，胡安俊，潘宇，赵川，范怡宁，李润璟，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：