[发明专利]一种钴酸镍/碳纳米管复合催化剂及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于催化剂及其制备和应用领域，特别涉及一种钴酸镍/碳纳米管复合催化剂及其制备和应用。

背景技术

近年来，随着化石能源的消耗、能源需求的不断增加以及环境友好意识不断成熟，世界各国竞相对清洁可持续的能量转换装置进行开发研究，其中利用电化学反应的能量存储与转化设备受到人们极大关注[NanoLett.2012,12,1946-1952]。二次金属-空气电池具有制备简单、安全性能优异以及环境友好等优点。在经济效益和环境保护方面，锌空气电池已经被公认为是21世纪最为有效和可靠的新能源技术之一[Nanoscale2013,5,4657-4661]。特别是锌-空气电池的理论能量密度大大高于传统的锂离子电池，可以应用于电动汽车等大功率设备[ChemSocRev2014,43,5143-5402]。然而，由于迄今仍缺乏合适的空气扩散电极电催化剂，使空气电池的放电电流密度偏小，效率底下和寿命较短，从而大大限制了锌空气电池的应用领域和产业化步伐。目前，铂碳等贵金属催化剂仍然被看作是ORR活性最高的电催化剂。然而，铂等贵金属催化剂制备成本颇高，同时地球储量稀缺，无法大量生产普遍使用。此外，该类催化剂虽然对ORR表现出很好的活性，而在OER上却表现不佳[NanoLett.2011,11,5362-5366]。因而在可逆空气电极催化剂的大规模应用上受到极大限制。因此开发价格低廉、耐腐蚀且同时具有氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的双功能催化剂显得尤为迫切。根据文献报道，四氧化三钴纳米线直接生长在不锈钢网眼集电板具有优异的可再充电性能和和稳定性，然而在实际中锌-空气电池利用自然的空气发电量不高[AdvancedEnergyMaterials,2014,6,1301389–1301395]。镍及镍的氧化物的电化学性能被广泛研究，但是主要局限于析氧反应(OER)[NatureCommunications，2013，249，1805-1812,]。NiCo₂O₄/石墨烯也有被研究用于ORR和OER，然而直接应用于实际锌空电池却未见报道[J.Mater.Chem.2013,1,4754–4762]。碳纳米管(CNT)具有优异的导电性以及超大比表面积大，同时具有高的电化学稳定性，通过与催化剂进行复合修饰，可以极大提升催化剂的性能。本发明中我们制备了钴酸镍/碳纳米管复合纳米材料作为高活性且稳定的双功能电催化剂原料，不仅便宜易得、制备方法简单，且对环境友好，易于工业化生产，是可以运用在锌-空、铝-空以及镁-空等金属空气电池领域良好的空气电极催化剂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种钴酸镍/碳纳米管复合催化剂及其制备和应用，本发明的钴酸镍/碳纳米管复合催化剂既表现出优异的电化学性能，同时具有优良的充放电性能及稳定性；本发明不仅绿色环保、原料易得、成本低，且反应条件温和、反应时间短，具有工艺简单仅一步即可、实用，可操控性强等优点，易于规模化生产。是可运用在锌-空、铝-空以及镁-空等金属空气电池领域良好的空气电极催化剂。

本发明的一种钴酸镍/碳纳米管复合催化剂，其特征在于：所述钴酸镍/碳纳米管复合催化剂包括碳纳米管、钴酸镍NiCo₂O₄尖晶石。

所述钴酸镍NiCo₂O₄尖晶石为纳米球直径在20-150nm。

所述钴酸镍/碳纳米管复合催化剂为纳米管、钴酸镍NiCo₂O₄尖晶石的复合物。

本发明的一种钴酸镍/碳纳米管复合催化剂的制备方法，包括：

分别称取醋酸镍、硝酸钴以及碳纳米管，溶于氨水中，超声分散，然后在140-160℃水热反应3-6h，冷却至室温，清洗、干燥、煅烧、研磨，即得钴酸镍/碳纳米管复合催化剂；其中醋酸镍、硝酸钴、碳纳米管、氨水的质量体积比为0.5-2g:0.5-2g:0.2-0.5g:10-25ml，优选1g:1g:0.25g:25ml。

所述氨水的浓度为1-1.5mol/L。

所述超声分散时间为0.5-2h；

清洗为去离子水清洗3-5次；干燥为50-70℃干燥6-10h；煅烧为200-500℃下马弗炉中煅烧1-5小时；研磨为降温至60℃以下研磨。

优选地，所述的马弗炉中的煅烧温度为200-400℃，时间为1h-4h。

更优选地，所述的马弗炉中的煅烧温度为400℃，时间为3小时。