[发明专利]一种应用于空气电池的空气电极金属氮化物催化剂

说明书

制备方法

技术领域

本发明涉及电化学领域，具体涉及一种应用于空气电池的空气电极金属氮化物-碳复合催化剂制备方法。可应用于锌空气动力电池、碱性燃料电池、海水电池的空气电极的催化材料。

背景技术

金属空气电池是燃料电池的一种，以锌、铝、镁等金属作为燃料，即负极活性材料，获得电能。其中锌空气电池发展比较成熟。锌空气电池是真正意义上可循环使用的清洁无污染化学电源。放完电之后的氧化锌经电解再生后又成为金属锌，再制成电池。锌空气电池不会产生爆炸事故，是稳定的化学电源，只需停止供应空气氧气，它就不反应不放电。近年来，锌空气电池得到研究开发，应用于车辆动力电池。它在催化剂的催化剂做用下发生发生化学反应而产生电流的一种化学电源。

电池的重要性能(电池的电压、功率密度)主要取决于空气电极的性能。空气电极的作用是在催化剂的作用下，是氧气发生还原，这是一个动力学缓慢的复杂过程。催化剂是空气电极、燃料电池的关键技术。寻找廉价、高效稳定的催化剂已成为提高空气性能的关键。这个技术的进步直接影响锌空气电池作为动力电池的发展。根据对呼吸过程的基础研究，生命体中的对氧还原和氧析出具有催化作用的物质具有金属离子与氮成键的结构，如含有金属和氮原子的卟啉。在这些物质中，M-N可能是氧还原反应的催化活性位置。以此推测过渡金属的氮化物具有催化潜力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于空气电池的空气电极金属氮化物的催化剂制备方法，该催化剂对氧还原具有优良的催化性能，能在大电流密度下工作、电压损失小且较为稳定。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于锌空气电池的空气电极的金属氮化物催化剂。所述催化剂的成分通式为A_xB_yN(x＝0.25～5，y＝1～5)，其中A、B分别为一种过渡金属元素，N为氮元素，其过渡金属元素为Fe、Ni、Mn，该催化剂以碳黑为载体。

本发明的金属氮化物催化剂制备方法。该催化剂采用溶胶凝胶-高温烧结法制成，采用过渡金属盐的水溶液，再加入与催化剂所质量比为2∶1~4∶1的碳粉做载体并用超声波使其混合均匀形成溶胶，在90℃恒温下干燥得到干凝胶，在有氮源的条件下于500～1500℃处理2～5h，得到所述催化剂材料。所述的碳黑为VulcanXC72、乙炔黑、石墨、活性炭中的一种或多种的混合物。所述的氮源为NH₃、尿素、乙二胺、三乙醇胺。

其具体步骤：

1)Fe、Ni、Mn等非贵金属过渡元素其中的一种或几种混合物水溶性盐溶于水；再将碳材料加入到其中，并用超声搅拌均匀后，放入90℃恒温烘箱内恒温静置干燥，使其变成干凝胶。

2)取出步骤1所述的干凝胶，再在其中加入为NH₃、尿素、乙二胺等氮源，并用超声混合均匀。

3)再将步骤2所述的混合物放入马弗炉，温度升至500～1500℃再处理2～5h后，再让其慢慢自然冷却至室温，即得到所述的催化剂。

本发明的优点在于：

a)本发明催化剂对氧还原具有良好的催化性能，可以应用于锌空气电池，包括作为动力电池的应用。这种催化剂也可以应用于其他类型金属空气电池。

b)本发明催化剂是由Fe、Ni、Mn等非贵金属过渡元素其中的一种或几种混合物水溶性盐为原材料，该类原材料资源广泛，价格低廉，能够降低生产成本。

c)本催化剂采用溶胶凝胶法制备，该方法可以制备粒径小、分布均匀的纳米颗粒材料，同时，该方法烧结的时间短，生产工艺简单，可以工业化生产。

附图说明

图1为本发明极化曲线图

图2为本发明恒流放电曲线图

具体实施方式

实施例一：

称取4.04g硝酸铁于烧杯中，加入去离子水溶解，用超声波使之继续溶解，加入2.24gVulcanXC-72，超声使之混合均匀处理，再放入90℃烘箱内恒温干燥后得到干凝胶，再与2.4g尿素混合后，于马弗炉中600℃处理5h，得到所需的氮化物复合催化材料，标记为FeN₄/C，并按常规方法制备成电极。该电极显示优良的氧还原性能。从图1给出的在空气气氛、室温、碱性电解液条件下测得的极化曲线可以看出，在电位为-0.2V条件下，电极电流密度可以达到161mA·cm^-2。从图2显示的放电曲线可以看出，在放电电流密度130A.cm^-2下，电压达到0.98V，而且电压十分稳定。