[发明专利]一种锌空气电池用硼钴氮掺杂碳纳米材料的制备方法

说明书

本发明提供一种锌空气电池用硼钴氮掺杂碳纳米材料的制备方法，所述的硼钴氮共掺杂碳纳米材料在锌‑空气电池中的应用，该合成方法以稻壳类生物质材料、氯化钴、硼酸、氨气为原料，简单安全，绿色经济。

技术领域

本发明属于锌空气电池技术领域，具体涉及一种锌空气电池用硼钴氮掺杂碳纳米材料的制备方法以及碳纳米材料在锌-空气电池催化剂中的应用。

背景技术

锌-空气电池(zinc-air batteries)也被称作锌空气燃料电池(zinc-airfuelcells)，是一种以锌作为阳极，直接使用纯氧或者空气中的氧气作为空气电极(阴极)活性物质的金属空气电池。

对于碱性溶液的电解液，锌-空气电池放电反应如下：

锌电极：Zn+4OH^-→Zn(OH)₄^2-+2e^-，Zn(OH)₄^2-→ZnO+2OH^-+H₂O

空气电极：O₂+2H₂O+4e-→4OH^-

总反应：2Zn+O₂→2ZnO

可见，锌-空气电池放电过程为：在锌电极上发生氧化反应，金属锌与电解液中的OH^-反应生成Zn(OH)₄^2-，锌阳极附近聚集达到一定浓度的Zn(OH)₄^2-被分解成ZnO并附到锌阳极表面，同时2个电子输送到外部电路。与此同时，扩散进入空气电极的氧分子得到外部电路中的4个电子与电解液中的H₂O反应生成OH^-。

自18世纪末锌-空气电池问世以来，锌-空气电池被广泛应用到各个领域。锌-空气电池具有环境友好，其能量效率高等优点，是目前非常有前途的能源发展方向，成为下一代最有希望的新能源电池。一般情况，锌-空气电池由锌电极、电解液、隔膜、空气电极四个部分组成。锌-空气电池的重点研究主要集中在锌电极、电解液和空气电极催化材料。对于空气电极催化材料，其对于发生在空气电极中的氧还原反应速率的改善是非常重要的，所以选用高效电极材料来促进氧还原反应成为了提高锌-空气电池性能的有效途径。目前，锌-空气电池空气电极材料的研究主要有两个方向：一是研究贵金属及其合金材料，例如铂、铂镍合金等；另一个是研究非贵金属材料，例如氮掺杂碳负载过渡金属材料、过渡金属氧化物、杂原子掺杂碳基纳米材料等。

CN201811023222.X公开了一种掺杂碳基过渡金属氧化物复合材料及其制备方法和应用。制备方法包括：将海藻酸钠加入去离子水中，搅拌后得到透明粘稠液；将硫氮源加入过渡金属溶液中，搅拌后得到均一溶液；将透明粘稠液滴加至均一溶液中，搅拌、静置，得到管状凝水凝胶；将管状凝水凝胶经过滤、洗涤、冷冻干燥，得到干凝胶；将干凝胶在惰性气氛下碳化处理得到热解熟料；将热解熟料在空气气氛下热处理，再经洗涤、烘干，得到掺杂碳基过渡金属氧化物复合材料，可用作锌空气电池空气电极正极双功能催化剂。

CN201811023215.X公开了一种3D海胆球状碳基镍钴双金属氧化物复合材料的制备方法，包括如下步骤：1)将多壁碳纳米管与浓硝酸超声混匀，经油浴处理、过滤、洗涤、烘干，得到酸化多壁碳纳米管；2)配制金属离子溶液，加入酸化多壁碳纳米管，搅拌均匀后，滴加酸碱调节剂调整pH，得到混合溶液；3)将混合溶液转入到水热釜中，保温完成反应，经冷却、过滤、洗涤、干燥、研磨后，得到复合材料前驱体；4)将复合材料前驱体，置于空气气氛中，进行低温热解处理，得3D海胆球状碳基镍钴双金属氧化物复合材料，可以应用于锌空气电池中。