[发明专利]一种高密度碳基双金属单原子电池阴极材料的制备方法

说明书

本发明属于金属‑空气电池及燃料电池领域，具体涉及一种高密度碳基双金属单原子电池阴极材料的制备方法及其在锌‑空气电池领域的应用。制备步骤为：在胍盐溶解形成的弱碱性水溶液中，添加双过渡金属盐与糖类，通过糖类分子间的自聚合得到水凝胶；再经冷冻干燥使其形成海绵状固体；惰性气体保护下，高温碳化上述海绵状固体得到高密度碳基双金属单原子电池阴极材料。在碳化过程中，过渡金属原子与富氮化合物之间的耦合促使了单原子位点的形成。在金属‑空气电池中，该催化剂可使其产生高于铂碳的能量密度与比容量，亦表现出更加优异于铂碳的充放电循环稳定性。此外，该制备方法成本低廉，简单且具有普适性，亦可大批量生产。

技术领域

本发明属于金属-空气电池及燃料电池领域，具体涉及一种高密度碳基双金属单原子电池阴极材料的制备方法及其在锌-空气电池领域的应用。

背景技术

截止目前，甚至未来几十年，能源与环境仍被认为是人类将面临的两大环保问题。其中，作为国民经济的命脉，能源是国民经济发展中极其重要的动力基础。为解决目前能源发展过程中所存在的“瓶颈”，发展新型能源转换装置无疑显得十分有意义。金属-空气电池是一类可通过电化学过程直接将空气中氧气的化学能转换为电能，清洁且高效的能源转换装置。在实际应用过程中，金属-空气电池可表现出环境影响小、能量转换效率高等优点。且整个充放电过程只涉及金属、氧气、水三种反应物，使其表现出低碳排放的优点，这一点与当下所倡导的“碳达峰”、“碳中和”观点不谋而合。然而，在金属-空气电池阴极上发生的氧气还原反应涉及三相界面，反应发生时包括氧气的吸附、解离、脱附，及质量扩散与电荷转移等步骤。繁复的过程导致氧气还原反应速率缓慢，且表现出较大的过电势，最终影响电池的实际工作效能。迄今为止，商业化的氧气还原电催化剂仍以铂、钯等贵金属为活性中心的材料为主。但贵金属稀缺的资源导致其在金属-空气电池的制造成本中有着较高的占比，这依然成为金属-空气电池规模化应用的巨大障碍。

为此，本专利旨在设计与合成高活性、高稳定性，且可替代以铂、钯等贵金属为活性中心的氧气还原电催化阴极材料，从而降低金属-空气电池的制造成本，为实现其大规模商业化应用提供有效解决方式。由M-N_x中心构成的金属-氮-碳类(M-N-C)单原子体系因其拥有优异的催化行为而受到大量关注。科研工作者认为，单原子体系催化剂通常是具有100％活性的，即掺杂在载体上的每个原子都可暴露于电催化反应中，完全发挥其催化功能。此外，单原子催化剂还拥有高度不饱和的配位键与大量均匀分布的活性位点等优势，使其在电催化领域发展迅速。目前，虽然M-N-C材料的氧气还原活性已可媲美于贵金属材料，但要在催化活性上实现进一步的突破仍存在挑战性。通过掺杂杂原子，调控配位数、氧化态及键合模式等方式可调控单原子体系的电子结构，提高其本征活性。在单原子体系中引入过渡金属作为第二活性位点，可引起原体系电荷重排，优化电子结构，改善氧气的吸附状态，促进氧气解离，进一步增强性能。因此，设计与合成具有双金属活性中心的金属-氮-碳类(M-N-C)单原子体系有助于充分发挥其氧气还原电催化活性。

发明内容

本发明旨在公开一种高密度碳基双金属单原子电池阴极材料的制备方法。该催化剂表现出高于铂碳的电化学活性和长期循环稳定性。尤其在锌-空气电池中，可使其产生超越铂碳功率密度与充放电循环稳定性。

一种高密度碳基双金属单原子电池阴极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将两种不同的过渡金属盐先后溶解于胍盐溶液中，室温下搅拌，形成双过渡金属配合物分散液；

(2)将生物质糖分散于步骤(1)所述的双过渡金属分散液中，搅拌后得到一种双过渡金属基水凝胶；

(3)将步骤(2)所得的双过渡金属基水凝胶经冷冻干燥后得到海绵状固体；

(4)将步骤(3)所得到的海绵状固体放入带盖瓷坩埚后置于管式炉中，密封后通入惰性气体，800～1000℃保持1～2h；待自然冷却到室温得到黑色粉末；