[发明专利]一种含双金属位点碳气凝胶的制备方法及铝空电池应用

说明书

本发明公开了一种含双金属位点碳气凝胶的制备方法及铝空电池应用，该气凝胶以明胶作为单体，二氧化硅作为硬模板，铁/铜‑邻二氮菲络合物作为氮源与金属源合成的水凝胶前驱体，经过冷冻干燥、高温热解和酸洗获得均匀负载有铁、铜双位点掺杂的碳气凝胶，同时由于该碳气凝胶具有丰富的三维褶皱及多孔结构，活泼的双金属位点，在碱性及中性条件下均表现出优异的氧气还原(ORR)电催化活性，以该碳气凝胶作为正极组装的中性铝空电池性能明显优于商用的Pt/C电催化剂，因此本发明制备的催化剂为无腐蚀柔性可穿戴金属‑空气电池的研发及生产具有潜在指导意义。

技术领域

本发明涉及一种能源存储与转化的技术领域，具体是一种基于氮掺杂生物质碳气凝胶负载FeCu双金属位点多孔材料的制备方法及其铝空电池应用。

背景技术

化石能源的不可更新性和日益严重的环境污染推动了可持续能源技术的发展，如金属-空气电池。其中，铝空气电池由于理论能量密度高(2796Whkg^-1)、成本低、环境友好等特点，具有储量丰富、重量轻、成本低的特点，被认为是一种很有前途的电池。铝空电池以金属铝做负极，空气中的氧气做正极，通过氧化还原反应来产生电能，电池性能在很大程度上取决于阴极上的催化剂进行氧还原反应(ORR)。传统的铝空电池使用强碱性电解质以保证电池拥有较大的放电电压及功率，但是负极金属铝在开路状态和放电过程中都受到严重的自腐蚀，另外，碱性电解质泄漏具有严重的腐蚀性，且一旦电池暴露在空气中电解质干涸及大气CO₂与氢氧化钾(KOH)电的反应会极大缩短电池的寿命。采用中性盐电解质能很好的解决这一问题。然而，中性介质通常具有较低的离子电导率和极低的OH^-浓度，普通的空气阴极催化剂在中性盐溶液中的氧还原反应(ORR)动力学缓慢。因此，迫切需要开发能在中性环境中高效运行的高活性和耐用的ORR催化剂以最大限度地提高中性铝空的性能。

具有3D互穿网络结构的过渡金属/氮掺杂碳气凝胶被认为是一种很有前景的ORR催化剂。分级多孔碳气凝胶同时具有高活性的单金属原子位点和丰富的电子/质量转移通道；另外，碳气凝胶中的微孔缺陷可以捕获和稳定金属原子位点。实验和理论分析都证明铁单原子催化剂在碱性介质中用于氧还原的活性最高，而通过在碳基底上再掺杂另外一种过渡金属可以对铁原子的电子结构产生影响，从而进一步提高其氧还原反应(ORR)动力学活性。因此，提高Fe单原子催化剂在中性盐溶液的ORR活性在中性铝空气电池中具有很大的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种由生物质明胶水凝胶为前驱体来合成高性能的双金属位点碳气凝胶催化剂的制备方法及在铝空电池上的应用。其制备方法绿色环保，成本低廉，且电化学性能优异。该气凝胶由冻干的可再生生物质水凝胶碳化而成，具有有序的三维网络及独特的褶皱结构，可作为一种新颖的碳基底锚定金属位点来合成一些电催化材料。

为实现以上目的，本发明设计一种含双金属位点碳气凝胶的制备方法，其具体步骤包括：

S100，明胶水凝胶的合成：取适量明胶、二氧化硅纳米粒子及去离子水混合，然后在60℃水浴中搅拌，待其完全溶解后恢复室温，依次加入铁-邻二氮菲络合物、铜-邻二氮菲络合物、乙酸锌溶液混合均匀，将得到的溶液于-4℃冷冻形成水凝胶；

S200，铁-铜双位点碳气凝胶的制备：将步骤S100合成的水凝胶经过夜冷冻干燥后，在氢氩混合气氛中加热；然后将高温碳化后的材料研磨成粉末，加入去离子水与分析纯氢氟酸，磁力搅拌以去除二氧化硅粒子及不稳定的金属纳米粒子，再依次经真空抽滤及烘箱干燥，最终得到铁-铜双位点负载的氮掺杂碳气凝胶。

进一步的，在步骤S100中所述明胶是冻力为250bloom的明胶。

进一步的，在步骤S100中所述二氧化硅纳米粒子是采用粒度为15nm的二氧化硅纳米粒子。

进一步的，在步骤S100中所述铁-邻二氮菲络合物、铜-邻二氮菲络合物的浓度均为0.2mol/L，乙酸锌溶液为1mol/L。