[发明专利]一种生物质碳材料衍生过渡金属基催化剂及其制备方法和应用、固态锌空气电池

说明书

本发明提供了一种生物质碳材料衍生过渡金属基催化剂及其制备方法和应用、固态锌空气电池，属于锌空气电池技术领域。本发明以蘑菇孢子作为碳源，蘑菇孢子自身所含元素主要为C、N和O，不会对催化剂的活性位点的确定造成影响。而且，蘑菇孢子经过碳化及活化处理后表现为多孔的特性，有利于金属前驱体的负载以及活性位点的暴露，从而有效提升催化剂的整体催化活性。本发明采用过渡金属前驱体保温形成单金属原子负载催化剂，过渡金属原子在催化剂载体上均匀分散，能够显著提高催化剂的催化活性。将该单金属原子负载催化剂催化剂用于固态锌空气电池，能够显著提高电池的放电电位，即提高电池的功率密度。

技术领域

本发明涉及锌空气电池技术领域，尤其涉及一种生物质碳材料衍生过渡金属基催化剂及其制备方法和应用、固态锌空气电池。

背景技术

锌空气电池分为液态锌空气电池和固态锌空气电池，相比于液态锌空气电池，固态锌空气电池更加适合应用在一些便携式或可穿戴设备上。目前，层状三明治结构是固态锌-空气电池的主要构型，主要由锌电极、空气电极以及中间的电解质膜组成。而液态锌空气电池易出现漏液现象，会影响电池使用效率。此外，液态的碱性电解质更易和空气中的CO₂反应，在正极表面生成难溶的碳酸盐副产物，堵塞了反应通道影响氧气进一步参与反应。

在固态锌空气电池中，目前大部分锌空气电池的最大功率密度、能量密度都较小，与液态锌空气电池差距较大。而且目前的研究工作中不能实现将固态锌空气电池的实际能量密度远超锂离子电池，这也限制了锌空气电池的进一步推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物质碳材料衍生过渡金属基催化剂及其制备方法和应用、固态锌空气电池，所制备的生物质碳材料衍生过渡金属基催化剂制成的锌空气电池具有高功率密度和能量密度。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种生物质碳材料衍生过渡金属基催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将蘑菇孢子依次进行预碳化和碳化，得到碳化产物；

将所述碳化产物与活化剂混合，进行活化，得到催化剂载体；

将所述催化剂载体、过渡金属前驱体和有机溶剂混合，进行煅烧，得到生物质碳材料衍生过渡金属基催化剂；

所述过渡金属前驱体包括间-四苯基卟啉氯化铁、5,10,15,20-四(4-甲氧苯基)-21H,23H-卟吩钴或镍盐。

优选的，所述预碳化的温度为200～350℃，时间为100～120min。

优选的，所述碳化的温度为800～1000℃，保温时间为2～3h，所述碳化在氮气气氛下进行。

优选的，所述活化剂包括氢氧化钾、氯化锌或过氧化氢；所述碳化产物与活化剂的质量比为1:2。

优选的，所述活化的温度为800～1000℃，保温时间为2～3h，所述活化在氮气气氛下进行。

优选的，所述催化剂载体与过渡金属前驱体的质量比为(50～80):(2～20)；所述煅烧的温度为600～800℃，时间为2～3h，所述煅烧在氮气气氛下进行。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的生物质碳材料衍生过渡金属基催化剂，包括催化剂载体和负载于所述催化剂载体表面的过渡金属单原子；所述催化剂载体为生物质碳材料；所述过渡金属单原子包括铁、钴或镍。

优选的，所述过渡金属单原子在催化剂载体上的负载量为0.98～1.96wt％。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的生物质碳材料衍生过渡金属基催化剂或上述技术方案所述生物质碳材料衍生过渡金属基催化剂在固态锌空气电池中的应用。