[发明专利]一种用于锌空电池的Cu掺杂中空六边形ZIF-8材料的制备方法

说明书

本发明公开一种用于锌空电池的Cu掺杂中空六边形ZIF‑8材料的制备方法，包括下列步骤：以二甲基咪唑和六水合硝酸锌为原料合成ZIF‑8材料；用单宁酸将ZIF‑8变成中空的ZIF‑8材料；再将中空ZIF‑8放入硝酸铜溶液制得CuHZ‑8前驱体，用双氰胺在马弗炉里550℃煅烧得到g‑C₃N₄，将CuHZ‑8与g‑C₃N₄均匀混合放入管式炉中煅烧，最后用硫酸洗涤得到Cu负载的中空六边形ZIF‑8材料。本发明具有原料来源充足，储量大易获取、污染小、易于实现量产、制备所得材料具有高的N含量、孔径大小及数量在较大范围内可控、且电化学性能良好的有益效果，在RDE中表现出比Pt/C更加优异的ORR性能和稳定性，组装的锌空电池具有优异的放电性能和较高的功率密度。

技术领域

本发明涉及锌空电池材料技术领域，具体涉及一种用于锌空电池的铜掺杂中空六边形ZIF-8材料的制备方法。

背景技术

锌空电池因其具有储锌丰富、理论能量密度大（1086Wh/Kg）、安全性高、价格低廉等优点而日益受到关注。锌空电池主要包括：负极、正极和电解液。其中，正极的动力学反应速率缓慢是阻碍锌空电池性能的主要因素。因此，研发优异ORR活性的正极催化剂对锌空电池的发展具有重要的意义。Pt/C作为传统的ORR催化剂却有价格昂贵、易中毒和储存量较少的缺点。因此，最近很多学者都在研究非贵金属材料来代替Pt/C。但非贵金属材料普遍ORR活性较低。因此，开发高ORR性能的非贵金属材料具有很重要的价值。

有机金属骨架（MOFs）是由有机配体和金属离子经过配位键进行连接的具有孔道的有机-无机杂化材料，其优点：高的比表面积、良好的导电性、良好的形态和大量的氮配体，随着科技的发展而越来越受到人们重视。

ZIF-8作为一种典型的MOFs材料，其在医学、食品安全、电极材料和磁性材料等领域都有潜在的应用价值，已经被研究应用于锌空电池的电极材料。鉴于杂原子可以增加材料的电化学活性，如N不仅可以增加材料的半波电位还可以抑制金属的团聚，S元素可以增加极限电流。因此，加入杂原子可以从一定程度上增加材料的ORR活性。

目前，虽然已经有了多种ZIF-8的制备方法，但很少有制备铜负载的中空六边形ZIF-8材料的，而且ZIF-8的ORR活性不高很难被应用于锌空电池，而中空ZIF-8可以产生更多的活性位点，增加传质能力，从而加强ORR催化活性，Cu做为活性位点可以更强的促进ORR活性。此外，现有技术制备得到的ZIF-8材料形貌比较简单，而六边形形貌的中空ZIF-8材料未见报道。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种原料自然储量大易获取、生产工艺相对简单、污染小、易于实现量产、制备所得材料具有以介孔为主、孔径大小及数量在较大范围内可控、且电化学性能良好的有益效果，组装的锌空电池具有高功率密度和优异的放电性能的铜掺杂ZIF-8材料的制备方法。

本发明解决技术问题采用的技术方案是，提出一种用于锌空电池的铜掺杂中空六边形ZIF-8的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤一：将二甲基咪唑和六水合硝酸锌按一定比例放入甲醇溶液中搅拌24小时，得到ZIF-8，离心并烘干；

步骤二：将ZIF-8放入到水中，并将单宁酸溶液放入到上述溶液，进行搅拌，得到中空的ZIF-8，离心并烘干；

步骤三：将双氰胺放入马弗炉中煅烧得到g-C₃N₄；

步骤四：将中空的ZIF-8放入甲醇溶液中并将溶解硝酸铜的甲醇溶液放入到上述溶液中搅拌，得到前驱体CuHZ-8并离心、烘干；

步骤五：将CuHZ-8和g-C3N4在研钵中混合均匀研磨然后放入管式炉中煅烧，得到C-CuHZ-8；

步骤六：用硫酸洗涤C-CuHZ-8，过滤并干燥。