[发明专利]一种高性能金属-空气电池正极催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高性能金属‑空气电池正极催化剂，由过渡金属氮化物‑过渡金属氧化物异质颗粒和介孔碳基体构成，占催化剂总质量10‑50％的纳米异质颗粒分散于介孔碳基体中；异质颗粒中，氧化物占10‑100％。该催化剂的制备方法：将介孔碳用强酸溶液处理，获得表面官能团化的介孔碳；将其浸入过渡金属盐的水溶液中，搅拌，清洗，加入氨水并搅拌，再次清洗，真空干燥，将所得产物在惰性气氛或真空条件下煅烧。本发明制备方法简单、高效、可控，所得催化剂的活性接近于20wt％Pt/C电催化剂，耐用性优于商用Pt/C电催化剂；用其组装的金属‑空气电池的能量密度、功率密度、稳定性等均与商用Pt/C催化剂所组装的电池相当。

技术领域

本发明属于电催化材料技术领域，具体涉及一种高性能金属-空气电池正极催化剂及其制备方法。

背景技术

氧气还原反应(ORR)，作为金属-空气电池的正极反应，其缓慢的动力学过程极大地制约着电池的能量转换效率。研发高性能电催化剂，降低ORR的反应能垒和过电位，成为该领域的研究热点。目前，催化活性最高的Pt基材料具有价格昂贵、稳定性不高的缺点，限制了器件的大规模推广。因此，低成本、高活性、高稳定性非贵金属ORR电催化剂的研发是推动金属-空气电池商业化亟需解决的问题。

得益于过渡金属元素的多重氧化态，很多过渡金属化合物展现出优异的电催化活性，例如氧化物、氮化物、硫化物、磷化物等。由于他们具有导电性差的缺点，往往需要与导电碳基体复合，以碳基金属化合物的形式作为电催化剂进行使用。然而，在持续催化过程中，化合物容易从基体脱落或者发生团聚，影响电子传输，降低催化活性和稳定性。因此，如何将化合物以细小晶粒的形式牢固、均匀的分散在碳基体上是碳基金属化合物电催化剂的研究难点。

另外，对于过渡金属化合物颗粒，目前大部分工作只能获得单一成分，而如果能够制备同时包含两种化合物晶体的异质颗粒，并能实现异质成分演变过程的调控，将对电催化剂功能和活性的优化具有重大意义。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种高性能金属-空气电池正极催化剂。具体技术方案如下：

一种高性能金属-空气电池正极催化剂，所述催化剂由过渡金属氮化物-过渡金属氧化物异质颗粒(MN_x-MO_y)和介孔结构碳基体(C)构成，所述异质颗粒以纳米粒子的形态分散于介孔结构碳基体中，异质颗粒的尺寸为20-80nm，占催化剂总质量的10-50％；所述异质颗粒由过渡金属的氮化物和氧化物两种成分组成，其中氧化物占异质颗粒总质量的10-100％。

优选地，所述过渡金属为Co、Ni或Cu。

本发明的目的之二是提供一种高性能金属-空气电池正极催化剂的制备方法。具体技术方案如下：

所述高性能金属-空气电池正极催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)介孔碳的表面官能团化处理

将介孔碳分散在强酸溶液中，搅拌0.5-2h，使强酸溶液充分浸入介孔结构中；将所得分散液置于反应釜中在100-200℃下保持2-6h(在强酸作用下碳表面会形成氧化官能团)，自然冷却之后，将强酸溶液处理后的介孔碳离心分离出来，用水和乙醇离心清洗干净，真空干燥，获得表面官能团化的介孔碳；

(2)过渡金属离子Mⁿ⁺和过渡金属氨配离子M(NH₃)_mⁿ⁺在介孔碳上的共吸附