[发明专利]一种氧还原催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及催化材料领域，特别涉及一种氧还原催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

金属-空气电池尤其是铝-空气电池，将是最有前途的能量转换与储存技术手段。铝-空气电池有不少优点，如价格低、环境友好、运行温度低(常温)，实际能量密度高达600wh·kg^-1。但是，铝-空气电池的空气电极在常温下的反应速度非常慢，需要催化剂来催化提速。目前最好的催化剂是商业铂碳，常见的是JM 20％Pt/C，但铂是一种稀有金属，价格非常昂贵，很难大规模地商业应用。

近些年来，由于银金属价格远低于铂金属，对氧还原反应(ORR)具有较高的催化活性，因此，越来越多的研究重点被放在银基催化剂上。目前银基催化剂的研制主要集中在如下两点：(1)将银与非铂金属复合，如将银与钯、铜等复合，附载在碳载体上；(2)将银附载在碳载体上。在这些研究中，均涉及到将硝酸银(或其它银盐)还原成银单质并附载在碳载体上的步骤，但是采用的方法操作复杂、试剂毒性大，尤其是制备得到的银基催化剂的氧还原反应催化性能不能满足实际要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氧还原催化剂及其制备方法和应用，本发明提供的制备方法操作简单，环境友好；制备得到的氧还原催化剂对氧还原反应具有较好的催化活性，应用到金属-空气电池中做空气电极催化剂，氧还原反应催化性能可与JM 20％Pt/C相媲美。

本发明提供了一种氧还原催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将碳载体、尿素、葡萄糖、硝酸银和水混合，得到反应分散液；

(2)将所述步骤(1)得到的反应分散液进行水热还原反应，得到水热还原物料；

(3)将所述步骤(2)得到的水热还原物料进行固液分离，得到固体产物；

(4)在保护气氛中，将所述步骤(3)得到的固体产物进行煅烧，得到氧还原催化剂。

优选的，所述步骤(1)中碳载体包括炭黑、活性炭、石墨烯或碳纳米管。

优选的，所述步骤(1)中尿素、葡萄糖和硝酸银的摩尔比为(14～18)：(3～6)：1。

优选的，所述步骤(1)中硝酸银与碳载体的质量比为(0.8～0.9)：1。

优选的，所述步骤(2)中水热还原反应的温度为110～130℃；所述水热还原反应的时间为7～10h。

优选的，所述步骤(4)中煅烧的温度为600～700℃；所述煅烧的时间为50～70min。

优选的，升温至所述煅烧的温度的升温速率为4～6℃/min。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的氧还原催化剂，包括碳载体和附载在所述碳载体上的银粒子，其中，银粒子占所述氧还原催化剂的30wt％～40wt％。

优选的，所述氧还原催化剂的粒度为30～70nm。

本发明提供了上述技术方案所述氧还原催化剂在金属-空气电池中的应用。

本发明提供了一种氧还原催化剂的制备方法，将碳载体、尿素、葡萄糖、硝酸银和水混合，得到反应分散液；将得到的反应分散液进行水热还原反应；将得到的水热还原物料进行固液分离；在保护气氛中，将得到的固体产物进行煅烧，得到氧还原催化剂。本发明以尿素为碱源，葡萄糖为还原剂，硝酸银为银源，水为反应介质，采用水热还原法还原硝酸银得到银单质，制备方法及试剂简单，环境友好。采用本发明提供的方法制备得到的氧还原催化剂对氧还原反应具有较好的催化活性和稳定性，应用到金属-空气电池中做空气电极催化剂，氧还原反应催化性能可与JM 20％Pt/C相媲美。

附图说明

图1为本发明实施例5制备的氧还原催化剂的热重曲线；

图2为本发明实施例5制备的氧还原催化剂5万倍下的扫描电子显微镜图；

图3为本发明实施例5制备的氧还原催化剂20万倍下的扫描电子显微镜图；

图4为本发明实施例5制备的氧还原催化剂20万倍下的透射电子显微镜图；

图5为本发明实施例3～5制备的氧还原催化剂和JM 20％Pt/C的线性扫描伏安曲线；

图6为本发明实施例5制备的氧还原催化剂在2000循环实验前后的线性扫描伏安曲线；

图7为JM 20％Pt/C在2000循环实验前后的线性扫描伏安曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种氧还原催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将碳载体、尿素、葡萄糖、硝酸银和水混合，得到反应分散液；