一种铁/氮共掺杂多级孔碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种铁/氮共掺杂多级孔碳材料及其制备方法和应用，以铁盐为诱导剂、含氮高分子聚合物为碳源和氮源，纳米二氧化硅为牺牲模板，通过两次煅烧以及碱洗和酸洗，得到铁/氮共掺杂多级孔碳材料。本发明专利技术材料修饰的锌阳极提供了更长的循环稳定性和更高的倍率性能，与Co3O4/MnO2/CNTs阴极结合的全电池提供了一种界面构建锌阳极的方法，可用于高倍率锌空电池，提高电池的电化学性能和循环寿命。提高电池的电化学性能和循环寿命。提高电池的电化学性能和循环寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种铁/氮共掺杂多级孔碳材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于燃料电池
，特别涉及一种铁/氮共掺杂多级孔碳材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锌空气电池(ZABs)由于其使用低成本的锌阳极、不易燃的高安全性电解液且具有相对较高的能量密度(1086Wh/kg)引起了广泛关注。其中，一次锌空气电池(例如目前市场上的助听器)已经实现了商业化应用。然而，可充电式锌空气电池的发展却受到锌阳极利用率低等问题的制约，特别是不规则的枝晶生长会刺穿阴极和阳极之间的隔膜，导致电池短路。因此，抑制锌枝晶的生长和提高锌阳极的利用效率对于推进可充电式锌空电池的商业化进程至关重要。
[0003]通过调节锌成核和生长过程来抑制枝晶生长是实现均匀锌沉积的一种有效方法。例如，使用电解液添加剂可有效防止锌核在电极表面的随机扩散。另一方面，附着力强的有机添加剂会导致严重的浓差极化，其不良的导电性会阻碍电子的快速传输，从而导致电池的内阻增大。阳极表面修饰是优化阳极表面电场分布的一种有效策略。其中，具有高机械强度的人工界面涂层可以通过提供沉积缓冲空间来调节锌反应过程，同时钝化界面水分子分布以避免析氢腐蚀，从而有效抑制枝晶的连续生长。然而涂层材料的合成和制备所需条件复杂，且能耗较高，阻碍了该技术的规模化应用。因此开发一种新的的锌阳极涂层材料对可充电锌空气电池的发展具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种铁/氮共掺杂多级孔碳材料及其制备方法和应用，该材料解决了在高电流密度下易产生锌枝晶的不稳定性和极化电压过高的问题，从而提高电池的循环稳定性，延长电池使用寿命和倍率充放电性能。
[0005]本专利技术提供了一种铁/氮共掺杂多级孔碳材料，以铁盐为诱导剂、含氮高分子聚合物为碳源和氮源，纳米二氧化硅为牺牲模板，通过两次煅烧以及碱洗和酸洗，得到铁/氮共掺杂多级孔碳材料。
[0006]所述铁盐为硫酸铁、硫酸亚铁、氯化铁、醋酸铁、乙酸乙酯铁中的一种或几种。
[0007]所述含氮高分子聚合物为聚丙烯酰胺、聚醚酰亚胺、聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚氨酯、二甲基二烯丙基氯化铵
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丙烯酰胺共聚物中的一种或几种。
[0008]所述纳米二氧化硅的粒径为100～500nm。
[0009]本专利技术还提供了一种铁/氮共掺杂多级孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：
[0010](1)将含氮高分子聚合物、铁盐、纳米二氧化硅分别配置为溶液，随后混合搅拌均匀，干燥得到铁/氮共掺杂多级孔碳前驱体；
[0011](2)将得到的前驱体研磨均匀，然后置于管式炉中惰性气氛下煅烧，冷却至室温后得到铁/氮共掺杂多级孔碳中间体；
[0012](3)将得到的中间体置于NaOH溶液中洗涤，随后洗涤至中性，干燥得到碱洗后的中间体；再置于H2SO4溶液中洗涤，随后洗涤至中性，干燥得到酸洗后的中间体；
[0013](4)将得到的酸洗后的中间体再次置于管式炉中惰性气氛下煅烧，冷却至室温后得到铁/氮共掺杂多级孔碳材料。
[0014]所述步骤(1)中配置溶液采用的溶剂为盐酸、N，N二甲基甲酰胺、N,N
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二甲基乙酰胺、N,N
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二乙基甲酰胺中的一种或几种。
[0015]所述步骤(1)中的含氮高分子聚合物溶液的质量分数为30～40％；纳米二氧化硅溶液的质量分数为10～20％；铁盐溶液的质量分数为40～50％；所述含氮高分子聚合物、纳米二氧化硅和铁盐的质量比为2～3:1:0.1～1。
[0016]所述步骤(2)和(4)中的惰性气氛为氦气、氮气或氩气中的一种或几种；所述步骤(2)和(4)中的煅烧工艺参数为：升温速度为2～20℃/min，温度为500～1000℃，时间为30～180min。
[0017]所述步骤(3)中的NaOH溶液浓度为2～4M，NaOH溶液的洗涤时间为48h；H2SO4溶液浓度为0.5～1M；H2SO4溶液的洗涤温度为100℃，洗涤时间为6～8h；干燥温度均为100℃，干燥时间均为24～48h。
[0018]本专利技术还提供了一种铁/氮共掺杂多级孔碳材料在锌空气电池中的应用。
[0019]将以铁/氮共掺杂多级孔碳材料作为阳极，Co3O4/MnO2/CNTs作为催化剂喷涂在碳纸上作为空气阴极，KOH作为电解液，得到Zn@FeNC
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Co3O4/MnO2/CNTs全电池。
[0020]所述阳极的制备方法包括：将乙醇和5％的Nafion溶液按照体积比10:1～5:1得到混合溶液，将铁/氮共掺杂多级孔碳分散到混合溶液中，超声均匀后喷涂在0.05～0.1mm厚度的锌箔上，得到铁/氮共掺杂多级孔碳涂层修饰的锌阳极。
[0021]所述Co3O4/MnO2/CNTs的制备方法包括：
[0022](1)室温下将KMnO4溶液和浓盐酸按照0.5～1g:2ml比例混合均匀，在高压反应釜中135～140℃水热法反应12h，冷却后用去离子水和乙醇反复清洗3～5次，60
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80℃干燥12～24h，得到二氧化锰前驱体；
[0023](2)分别称取质量比为0.5～1:1:0.25～0.5的二氧化锰前驱体、乙酸钴以及碳纳米管，溶解于1～1.5M的氨水中，超声分散0.5～1.5h，然后转移至高压釜中140～160℃反应3～6h，冷却后用去离子水清洗3～5次，50～70℃干燥6～
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10h；干燥后在350～450℃下马弗炉中煅烧0.5～1.5小时，随后降温到60℃以下研磨成粉，即得Co3O4/MnO2/CNTs催化剂。
[0024]有益效果
[0025](1)本专利技术的铁/氮共掺杂多级孔碳材料修饰的锌阳极表现出优异的性能，在5mA/cm2电流密度下连续放电50h，无明显衰减，在充放电过程中也具有优良的稳定性，可应用于可充电金属
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空气电池。
[0026](2)本专利技术的铁/氮共掺杂多级孔碳材料可以减少锌阳极与电解液的直接接触，从而有效抑制腐蚀析氢反应，具有更小的腐蚀电流，增加了阳极表面耐腐蚀性，提高电池循环寿命。
[0027](3)本专利技术的铁/氮共掺杂多级孔碳材料具有高比表面积和多级孔结构，提供了丰富的成核位点，使锌沉积更为均匀。
附图说明
[0028]图1为裸Zn(a)和Zn@FeNC(b)对称电池在不同倍率下固定0.5mAh/cm2电量下0.5～5mA/cm2充放电测试曲线；
[0029]图2为裸Zn(a)和Zn@FeNC(b)对称电池在不同倍率下固定30min充放电下0.5～5mA/cm2充放电测试曲线；
[0030]图3为裸Zn(a)和Zn@FeNC(b)对称电池在10mA/cm2电流密度下充放电各6min的恒电流测试曲线；
[0031]图4为裸Zn和Zn@FeNC阳极的单电极的塔菲尔测试曲线；
[0032]图5为裸Zn(a)和Zn@FeNC(b)阳极，Co3O4/本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁/氮共掺杂多级孔碳材料，其特征在于：以铁盐为诱导剂、含氮高分子聚合物为碳源和氮源，纳米二氧化硅为牺牲模板，通过两次煅烧以及碱洗和酸洗，得到铁/氮共掺杂多级孔碳材料。2.根据权利要求1所述的铁/氮共掺杂多级孔碳材料，其特征在于：所述铁盐为硫酸铁、硫酸亚铁、氯化铁、醋酸铁、乙酸乙酯铁中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的铁/氮共掺杂多级孔碳材料，其特征在于：所述含氮高分子聚合物为聚丙烯酰胺、聚醚酰亚胺、聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚氨酯、二甲基二烯丙基氯化铵
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丙烯酰胺共聚物中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的铁/氮共掺杂多级孔碳材料，其特征在于：所述纳米二氧化硅的粒径为100～500nm。5.一种如权利要求1
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4任一所述的铁/氮共掺杂多级孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将含氮高分子聚合物、铁盐、纳米二氧化硅分别配置为溶液，随后混合搅拌均匀，干燥得到铁/氮共掺杂多级孔碳前驱体；(2)将得到的前驱体研磨均匀，然后置于管式炉中惰性气氛下煅烧，冷却至室温后得到铁/氮共掺杂多级孔碳中间体；(3)将得到的中间体置于NaOH溶液中洗涤至中性，干燥得到碱洗后的中间体；再置于H2SO4溶液中洗涤至中性，干燥得到酸洗后的中间体；(4)将得到的酸洗后的中间体再次置于管式炉中惰性气...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐能能，王越，周本基，俞传鑫，乔锦丽，张杰，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：