[发明专利]一种双功能催化材料及其制备方法与应用

说明书

本发明以无定型沸石咪唑骨架为原料，以易去除、低成本的熔融盐为造孔模板，通过高温碳化制备了双功能催化材料，本发明还涉及该双功能催化材料在锌空气电池中的应用。本发明制备的双功能催化材料具备各种结构优势，并且表现出高效的氧还原和氧析出反应催化活性。

技术领域

本发明属于新能源材料领域，具体的，本发明涉及一种双功能催化材料及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，我国可再生能源发电量快速提升。但是，可再生能源发电具有不稳定性、间歇性的问题，这提高了电网在输配容量、电频波动控制等方面的要求，因此，需要依赖储能技术形成可控制、可调度的电网运营模式。

电化学储能具有安装灵活、快速响应、易规模化等优点，是目前储能技术的主要发展方向。金属空气电池是一种新型电化学储能方式，由于其阴极的反应物质是空气中的氧气，阴极重量几乎为零，因而具有高理论能量密度的优势，其理论能量密度在1000-6000Wh/kg之间，是目前传统锂离子电池(400Wh/kg)的2.5-15倍。而在众多种金属空气电池中，锌空气电池由于具有更好的安全性和较高的能量密度而拥有更高的发展优势。

目前，限制锌空气电池发展的主要因素有两个，一个是阳极锌由于氧化锌不均匀沉积而产生的枝晶生长、电极钝化等问题，导致电池的循环性能差、寿命低，另一个是阴极缺乏高效的双功能(氧还原反应和氧析出反应)催化材料，放电时空气阴极ORR(氧还原)反应缓慢，充电时OER(氧析出)反应过电位过高，导致电池能量密度低、充电能量转化效率低。

因此，本领域亟需高效的双功能(ORR和OER)催化材料，以有效提高锌空气电池的电化学性能。

众所周知，金属含氮碳结构(M-N-C)是良好的双功能催化活性位点。沸石咪唑骨架因其结构特点，具有大量的微孔结构以及能提供丰富的M-N-C催化活性位点，在合成双功能催化材料方面有着巨大优势。但是微孔不利于物质的传输以及活性位点的暴露，从而限制了沸石咪唑骨架的催化活性。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种制备双功能催化材料的方法，该方法以NaCl为模板、以无定型沸石咪唑骨架为原料制备双功能催化材料，该催化材料为含氮分级多孔碳(AZ-HPNC)材料，其中无定型沸石咪唑骨架原料保证材料有丰富的M-N-C活性位点，NaCl模板则对骨架进行了孔结构改造，使其形成具有大孔、介孔、微孔的分级多孔结构，该结构既有利于反应活性物质的运输，又能使得骨架的活性位点暴露而获得充分的利用，从而使得材料的双功能催化活性大幅提高。另外，本发明采用的原料都是易获得的材料，方法操作简单、产率高，并且氧还原和氧析出反应的催化活性高，因此具有大规模推广应用的潜力。

具体的，本申请提供了一种制备双功能催化材料的方法，所述方法包括以下步骤：

S1：制备NaCl模板

研磨NaCl晶体，获得粒径为0.1-10μm的NaCl模板；

S2：混合

在搅拌下，按NaCl:金属化合物的摩尔比为3-10:1的比例，将所述NaCl模板和金属化合物在有机溶剂中混合，混合均匀后烘干，烘干后研磨得到NaCl和金属化合物的粉末状混合物，

所述有机溶剂选自甲醇、乙醇、异丙醇及其组合，优选所述有机溶剂为无水有机溶剂，

所述金属化合物为钴金属化合物或锌金属化合物，且能够溶于所述有机溶剂中；

S3：形成前驱体

搅拌下，将2-甲基咪唑与步骤S2得到的粉末状混合物加入有机溶剂中，在室温下反应0.5-5h后，静置2-24h，然后进行烘干，经研磨得到粉末状前驱体，

其中所述粉末状混合物中的金属化合物:2-甲基咪唑的摩尔比为1:1-20，且