[发明专利]碳氮基铁材料的锌空气电池催化剂制备方法

说明书

本发明公开了一种碳氮基铁材料的锌空气电池催化剂制备方法，包括：合成聚吡咯‑铁配合物；合成双金属沸石咪唑框架纳米晶体；合成双金属沸石咪唑框架与碳氮基铁材料构架结合形成的复合材料；将作为催化剂的复合材料、乙炔黑溶解于含乙醇和Nafion的溶液中，超声处理得到均匀分散的浆料，将浆料均匀涂于聚四氟乙烯处理的碳纤维纸上作为锌空气电池的正极。本发明所提出的催化剂具备优异的优越的ORR性能和出色的OER催化活性，超越了商业Pt/C催化剂性能，而且比现有技术中的双功能催化剂都要性能优异。

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，特别涉及一种碳氮基铁材料的锌空气电池催化剂制备方法。

背景技术

电池是一种能将化学能和电能相互转换并存储的装置。锌空气电池，以空气中的氧或纯氧作为正极活性材料，以金属锌为负极，采用碱性电解液作为电解质，构成电池内部的氧化还原环境，通过电解液中的OH^-在电极间迁移形成电池内部闭合回路，完成电池充电/放电过程，是一种极为清洁的新型储能装置。电化学可充的锌空气电池能量密度高、来源广泛、安全性好且成本低廉，是电能高效转换和储存的重要技术方向。

在锌空气电池中，由于参与正极电化学反应的活性物质是空气中的氧气，无需专门的储罐系统，在氧气数量充足的条件下，电池容量的大小仅仅取决于锌负极，安全性好、比能量高、成本低廉，且绿色环保等复合可持续发展的基本要求。电池技术发展至今，在着重开发的包括锌、铝、镁等金属负极材料中，只有金属锌在碱性水溶液环境中表现出良好的耐腐蚀性和较为理想的电化学反应动力学特性。总而言之，锌空气电池的开发具有经济、环保等多方面意义。

在锌空气电池体系中，催化剂是电池关键的组成部分之一，其催化活性的好坏直接关系到锌空气电池性能的优劣。由于电化学反应极化、传质过程中的浓度极化以及欧姆内阻等因素，锌空气电池的实际工作电压远偏离标准电动势1.65V，研究表明，空气正极的极化现象比锌负极严重得多。由于ORR与OFR反应的能垒较高，当O₂或OH^-反应物的传质速率大于电化学反应中电荷转移的速率时，动力学为氧还原和氧析出反应的主导，所得到的电流密度较小，出现电化学极化；当外界提供的电压足够大时，动力学过程得到显著提升，电荷转移的内阻减小，此时反应速度的决定性因素是反应物在电极上传质的速率，出现浓度极化现象。因此，提高正极催化剂材料性能、改善电极结构以提高物质传递能力，是降低电化学极化与浓度极化的首要途径。

现有技术中，空气电极材料的开发主要是基于一次锌空气电池的需要，研究重点在于提高材料催化氧还原反应的作用，电极催化层一般是由ORR催化剂、石墨粉、活性炭等组成的。随着机械可充电式电池体系的开发，锌空气电池的发展向二次可充电池迈出了新步伐。机械可充意为，使用后的电池，可以通过更换锌电极使得负极“可充”，而以空气中的氧气作为正极活性物质的空气电极则无需专门充电即可实现电池的“再生”。

然而，发明人经研究发现，现有技术中机械可充电式锌空气电池系统的总体能量效率低、过程十分复杂，且需要建立金属锌回收、电解液处理等附加系统，经济性差、过程繁琐，无法形成商业运行模式。除此之外，空气电极材料的持久性差，电化学极化现象严重，使用寿命极其有限，这些弊端均阻碍了锌空气电池的实际应用。

因此，现有技术中为了使空气电极在室温条件下顺利进行ORR/OFR电化学反应，需要使用双功能电催化剂来降低氧气反应的活化能、削弱反应过程的极化效应，同时提高充/放电过程的电流密度。空气正极材料性能的改善与提高，是锌空气电池整体性能提升的关键性因素。对于一次锌空气电池来说，仅仅具备出色ORR催化性能的高效电催化剂即可满足要求，然而，随着科技的不断进步，电化学二次可充锌空气电池成为新一代研究目标，这就要求用于锌空气电池空气电极的电催化剂必须同时具备催化氧还原ORR和氧析出OER反应的特性。一般来说，诸如贵金属类催化剂及过渡金属氧化物类催化剂等的传统催化材料，仅仅具备催化ORR过程的单方面性能，而OER活性却很差，不能满足二次锌空气电池的需要。因此，研究开发能同时催化两种氧气反应的双功能催化剂越来越成为工业界和科研界的焦点问题。