[发明专利]一种二次可逆空气电极用催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二次可逆空气电极用催化剂，具体地讲是涉及一种二次可逆空气电极用负载型钙钛矿型催化剂；本发明还涉及该催化剂的制备方法。

背景技术

随着化石燃料的日益缩减，寻求新的可再生能源已经成为当今世界解决能源危机的重要举措。各种燃料电池作为潜在的替代能源应运而生，其中，金属空气电池是一类特殊的燃料电池，可用的金属有锌、铝、镁等，这些金属元素在地球上的含量丰富，使用后可回收再利用，且使用过程中无毒副产物生成。因此，金属空气电池具有成本低、无毒、无污染、比能量高等优点。

空气电极作为阴极，是金属空气电池的重要组成部分，空气电极中催化剂的性能及寿命则成为了制约金属空气电池能否商业化的关键因素。传统的不可逆空气电极使得金属空气电池不能二次电化学充电，限制了金属空气电池的应用。近年来，二次可逆空气电极的发展，推动了金属空气电池的广泛应用。对于二次可逆空气电极而言，其催化层不仅可以发生氧气的还原反应，而且可以发生氧气的析出反应。析氧的反应电位较氧气还原反应的高，且活性氧原子的产生，会使析氧反应发生时，空气电极催化层具有高的电腐蚀性及氧化性。目前，常见的二次可逆空气电极催化剂多为钙钛矿材料ABO₃，其中A代表的金属有La、Ca、Sr、Ba等；B代表的金属有Co、Fe、Mn等。钙钛矿具有氧化物的结构，导电性较差，常负载于碳材料上以增加空气电极的导电性，但是析氧反应的高电位腐蚀性以及高氧化性会破坏碳材料的结构，限制了钙钛矿作为二次可逆空气电极催化剂的应用。

发明内容

本发明提供一种二次可逆空气电极用催化剂，能够有效解决碳材料作为载体时，其结构容易遭到破坏的问题，同时还能提高电池的循环性能；其制备方法简单，采用直接加热法不添加其它物质，所制催化剂纯度高且在载体上分散均匀，能够较好地提高催化效果，适于工业化生产。

为解决上述技术问题，本发明技术方案如下：

一种二次可逆空气电极用催化剂，其化学式为La_xCa_(1-x)CoO₃/TiC或La_xCa_(1-x)CoO₃/TiN，其中，0.5≤x≤0.7，La_xCa_(1-x)CoO₃的担载量为5wt％-80wt％，优选为12.5wt％-60wt％。

上述二次可逆空气电极用催化剂的制备方法为：按镧、钙和钴的摩尔比为(2.5-3.5)∶(1.5-2.5)∶5配制镧盐、钙盐和钴盐的混合溶液，优选按照镧、钙和钴的摩尔比为3∶2∶5。

在上述混合溶液中加入经预处理的TiC或TiN载体粉末，在加热状态下充分搅拌混合直至水蒸气蒸发后搅拌无法继续，该加热状态优选为在60-90℃下加热。烘干后将混合物高温烧结2-5h，优选为700-1000℃下烧结，之后迅速置于冷水中进行速冷处理，将混合物沉淀烘干、研磨即得La_xCa_(1-x)CoO₃/TiC或La_xCa_(1-x)CoO₃/TiN粉体，经筛分后得到粒度均匀的催化剂粉末。其中，所述冷水优选为不高于10℃且未结冰的去离子水。

所述镧盐、钙盐和钴盐分别可以选自镧、钙和钴的硝酸盐或氯化物等中的一种或两者的混合物。

所述混合溶液中反应后理论上应得的主体催化剂La_xCa_(1-x)CoO₃与TiC或TiN载体的质量比约为1∶19-4∶1，即在上述混合溶液中加入TiC或TiN载体时优选按此比例。

所述载体粉末的预处理过程优选为将TiC或TiN粉末过筛后置于5wt％-30wt％的硝酸或盐酸等溶液中，于50-80℃搅拌3-8h后，去除滤液后用去离子水反复冲洗，直至pH＝7为止，将TiC或TiN粉末烘干而得。

综上所述，本发明提供的二次可逆空气电极用催化剂，通过采用经特殊预处理的载体材料以及直接加热法，能够有效解决碳材料作为载体时其结构容易遭到破坏的问题，同时还能提高电池的循环性能；其制备方法简单，采用直接加热法不添加其它物质，所制催化剂纯度高且在载体上分散均匀，能够较好地提高催化效果，适于工业化生产。

附图说明

图1是本发明的催化剂应用于二次空气电极的阴极极化曲线图。

具体实施方式