[发明专利]一种网状掺杂型钙钛矿催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种网状掺杂型钙钛矿催化剂及其制备方法和应用，所述掺杂型钙钛矿催化剂为A位掺杂型钙钛矿催化剂A_1‑xA’_xBO₃或B位掺杂型钙钛矿催化剂AB_1‑yB’_yO₃，其中A选自稀土金属或碱土金属，A’选自过渡金属，B选自过渡金属或碱土金属，B’选自过渡金属或碱土金属，制备方法包括以下步骤：(1)取A盐、B盐和掺杂元素的盐溶于溶剂中；(2)加入碱性溶液调节pH至8～10，分离并干燥得到固体前驱体；(3)煅烧，制得网状掺杂型钙钛矿催化剂。利用本发明的方法制备出的具有网状结构的掺杂型钙钛矿催化剂，促进了氧还原及氧析出的催化活性的提升，在金属‑空气电池中氧电极领域中具有较好的应用前景。

技术领域

本发明涉及钙钛矿材料领域，尤其是涉及一种网状掺杂型钙钛矿催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着人们对各类能量转换和能量存储需求的不断提高，锂离子电池、燃料电池、超级电容器以及可充电金属-空气电池等化学电源逐渐引起了世界各国的关注。目前，锂离子电池以其高能量密度(钴酸锂274Wh/kg)占据着市场的主导地位。然而，锂离子电池因其成本高、安全性低、环境兼容性差等问题无法满足电子多媒体通讯技术、交通运输设备以及能量存储系统。金属-空气电池以其价格低廉、质量比能量和体积比能量高、环境友好、储存寿命长、具有可逆性等优势被认为是最有发展和应用前景的新能源之一。金属-空气电池是以空气中氧气为正极材料，金属(铝、锌等)为负极活性物质，氧气在电化学反应界面与金属负极活性材料反应放出电能。作为金属-空气电池的核心部分，氧气电极活性的高低直接影响电池性能的好坏。在氧气电极中存在着氧还原(氧还原(ORR))和氧析出(氧析出(OER))反应动力学滞后缓慢、易产生极化和较高的过电位、可逆性差等问题，双效氧电极催化剂的开发成为解决金属-空气电池现存问题的有效方法。

目前双效催化剂可分为碳材料、贵金属、金属氧化物、过渡金属氧化物催化剂。由于碳材料本身的稳定性和高电子电导率等特点，被广泛用于电池领域中。然而，碳材料因氧析出(氧析出(OER))过程中极化电位过大极易造成碳材料腐蚀，引起性能衰减。在贵金属催化剂中，铂(Pt)被认为是最好的氧还原(ORR)催化剂，Pt只具有单一的氧还原(ORR)催化性能，其氧析出(氧析出(OER))性能较差。Ru，Ir以及相关的氧化物被认为是最好的氧析出(氧析出(OER))催化剂，但其氧还原(ORR)性能较差。过渡金属氧化物因其材料价格低廉、资源充足、催化活性高、稳定性等特点，越来越受到研究人员的关注。作为过渡金属氧化物中的一类，钙钛矿型氧化物可供选择的元素、可掺杂的元素和比例更为灵活和丰富，催化活性和稳定性可以更利于调节。近年来，一些ABO₃结构的钙钛矿型氧化物因其在碱性介质中高效氧还原(ORR)和氧析出(氧析出(OER))的双功能性能而被大量研究。尽管钙钛矿型氧电极基本上可与铂催化剂氧电极相媲美，但它依然存在诸多问题，在诸多问题中最为突出的是催化剂形貌结构问题。

氧还原(ORR)和氧析出(氧析出(OER))反应都存在着氧气的传输问题，尤其是氧析出(氧析出(OER))反应，随着氧析出(OER)反应的进行，催化剂表面会生成大量的氧气，而电极表面堆积的气体会使催化剂发生脱落，从而引起催化剂活性和稳定性快速衰减。目前钙钛矿催化剂主要以颗粒形式存在为主，而颗粒型催化剂不利于氧气的传输，由此可见，现如今钙钛矿催化剂的形貌是很难满足氧电极的需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种网状掺杂型钙钛矿催化剂及其制备方法和应用，该掺杂型钙钛矿催化剂的网状结构利于电子、产物、反应物的传输，促进了氧还原及氧析出的催化活性的提升，呈现出了较高的氧还原(ORR)和氧析出(OER)催化活性。

本发明所采取的技术方案是：