[发明专利]铝空气电池的空气电极催化剂、空气电极及其制备方法

说明书

本发明提供一种铝空气电池的空气电极催化剂、空气电极及其制备方法，其中，铝空气电池的空气电极催化剂，化学式为CoFe_2‑xM_xO₄，M为Ni、Zn和Mn中的一种，0＜x≤0.2。采用CoFe_2‑xM_xO₄作为空气电极催化剂，其具有尖晶石型晶型结构，且采用Co和Fe作为主元素，Ni、Zn、Mn作为掺杂元素，其结构稳定，催化活性高，制成的空气电极可使铝空气电池的电压高且平稳，比能量也大大提升。空气电极催化剂的制备方法，包括依次的如下步骤：(1)固相混合根据化学式的配比称取钴源、铁源和M源，并与葡萄糖混合；(2)研磨，干燥后进行煅烧。此制备方法的原料丰富，制备条件简单，反应条件容易控制，制备时间短，易于工业化生产，所得催化剂均匀且粒度小，具有较高的稳定性和催化活性。

技术领域

本发明涉及空气电池领域，尤其涉及一种铝空气电池的空气电极催化剂、空气电极及其制备方法。

背景技术

铝空气电池通常以活泼金属铝作为阳极，疏水透气的空气电极(由防水层、催化层、集流体构成)作为阴极，(氢氧化钾或氢氧化钠)溶液作为电解质，由于放电过程中铝阳极被消耗，空气中的氧气通过空气电极进入到达三相界面而发生氧还原反应。铝空气电池的主要特点是电池元件简单、阳极铝板可以替换、操作灵活、能量密度大、重量轻、材料来源丰富、无污染、可靠性高、寿命长、使用安全等优点，因而被称为是“面向21世纪的绿色能源”。但是铝空气电池目前的输出功率较低，电极极化较大，主要原因是空气电极中催化剂的活性不高。因此，要实现铝空气电池的商业化，开发性能优良、工作稳定的氧还原催化剂是一个重要环节。在空气电极的氧还原催化剂中，贵金属系列(Pt系、Ag系)催化剂虽有很强的氧还原能力、导电性和稳定性，但因资源稀缺、价格高昂广泛使用受限；锰氧化物虽然价格低廉、来源广但是催化活性较低；金属有机大环螯合物催化性能较好但制备过程复杂，催化机理存在争议，且反应过程中容易发生脱落污染环境。

因此，急需一种制备简单、稳定性好的适用于铝空气电池、高催化活性的氧还原催化剂来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝空气电池的空气电极催化剂、空气电极及其制备方法，此空气电极催化剂的稳定性好、催化活性高，且制备简单、原料丰富，可解决现有的氧还原催化剂的制造成本高、制作工艺复杂、催化活性低、稳定性差等问题。

虽然现在已经出现了一些AB₂O₄的尖晶石型氧化物或ABO₃的钙钛矿型氧化物作为空气电极的催化剂，但是这类催化剂通常用于锂空气电池或者锌空气电池，由于锂、锌、铝的反应活性不同，各空气电池的充放电动力学速率不同，用于锂空气电池或者锌空气电池的催化剂并不能匹配铝空气电池的阳极铝板，并不能使铝空气电池维持平稳的高电压及提升比能量。且铝空气电池放电时铝反应生成铝离子，铝离子与氢氧根离子结合生成粘稠的氢氧化铝沉淀，其会附着在电极表面而影响电极的催化性能。本发明人基于此，在常规AB₂O₄的尖晶石型氧化物的基础上进行了改进，提供了一种适合于铝空气电池的尖晶石型氧化物作为空气电极的催化剂，其化学式为CoFe_2-xM_xO₄，M为Ni、Zn和Mn中的一种，0＜x≤0.2。