[发明专利]一种银-碳芯壳催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于锂空气电池技术领域，特别涉及一种银‑碳芯壳催化剂及其制备方法和应用。本发明提供了一种银‑碳芯壳催化剂，包括芯材和包覆所述芯材的外壳；所述芯材为聚甲基丙烯酸甲酯基碳纤维；所述外壳包括聚丙烯腈基碳纤维和掺杂在所述聚丙烯腈基碳纤维中的银纳米颗粒；所述外壳具有孔隙。实施例的测试结果表明，本发明提供的银‑碳芯壳催化剂组装成的锂空气电池在100mA·g^‑1的电流密度下，放电比容量＞8000mAh·g^‑1，远大于以20wt.％Pt为催化剂的C电极的容量(3058mAh·g^‑1)，容量高；在电流密度为200mA·g^‑1，截止容量500mAh·g^‑1时，循环次数≥170次，耐久性长。

技术领域

本发明属于锂空气电池技术领域，特别涉及一种银-碳芯壳催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

锂空气电池的正极材料来源于空气中的氧气，负极材料为金属锂。理论上来说，锂空气电池正极处的O₂量不受限制，其容量主要取决于负极金属Li片，因此锂空气电池容量应该非常大，但其实际容量远未达到理论值。因为氧气在空气电极一侧的还原反应非常缓慢，此外放电过程中生成的主要放电产物Li₂O₂导电性差，分解极其困难。因此，为降低正极反应过程中的电化学极化和充电过程的过电位，研究人员尝试加入催化剂，从而促进O₂在正极的还原和析出，降低充放电电压。

研究人员研究了多种氧气催化剂来改善锂空气电池性能，其中，过渡金属氧化物与贵金属的复合催化剂是催化性能与成本之间的最佳平衡。例如，多孔Au/δ-MnO₂复合催化剂，应用于锂空气电池阴极时，电池表现了优异的电化学性能和优越的循环稳定性；又如，采用同步还原法合成的Co₃O₄/Ag复合催化剂中银的掺杂促进了Li₂O₂以花状的形貌进行生长，并且使用该催化剂的锂空气电池具有过电位小、倍率性能好、循环寿命长等优点。然而，上述过渡金属氧化物与贵金属的复合催化剂形貌控制困难，电化学性能欠佳。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种银-碳芯壳催化剂，本发明提供的银-碳芯壳催化剂具有接触电阻小、电极极化小、活性位点多的特点，有效降低锂空气电池中电化学极化和充电过程过电位。

为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种银-碳芯壳催化剂，包括芯材和包覆所述芯材的外壳；所述芯材为聚甲基丙烯酸甲酯基碳纤维；所述外壳包括聚丙烯腈基碳纤维和掺杂在所述聚丙烯腈基碳纤维中的银纳米颗粒；所述外壳具有孔隙。

优选的，所述孔隙的尺寸≤40nm。

优选的，所述银-碳芯壳催化剂中银纳米颗粒的含量为20～30wt.％。

优选的，所述芯材的直径为200～400nm；

所述外壳的壁厚为50～100nm。

本发明还提供了上述技术方案所述银-碳芯壳催化剂的制备方法，包括以下步骤：

提供聚丙烯腈-银混合溶液和聚甲基丙烯酸甲酯溶液，所述聚丙烯腈-银混合溶液中含有聚丙烯腈和可溶性银盐；

以所述聚丙烯腈-银混合溶液为外壳纺丝液、以所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液为芯材纺丝液，进行同轴静电纺丝，得到芯-壳复合纤维；

将所述芯-壳复合纤维进行热处理，得到所述银-碳芯壳催化剂；

所述热处理包括：依次进行第一热处理和第二热处理；