[发明专利]一种多孔碳负载过渡金属复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于电池材料技术领域，公开了一种多孔碳负载过渡金属复合材料及其制备方法与应用。该方法包括步骤：将过渡金属化合物、凝胶形成剂和三聚氰胺加入到有机溶剂中，加热蒸发除去有机溶剂得到凝胶态物质，取出凝胶态物质进行冷冻干燥，将干燥将所得固体研磨成粉末，将粉末在氮气或惰性气体下进行煅烧，得到复合材料。本发明三聚氰胺可以与金属离子相互作用形成金属‑氮位点，原位形成碳纳米管，同时提供碳源和氮源，且不用额外引入碳纳米管，制备方法简单，大幅度减少复合材料的制备成本。具有优异的氧还原电催化活性，在碱性电解质中能够与Pt/C催化剂相近，并表现出比商业Pt/C更高的功率密度、更优异的长时间放电性能和阶跃放电性能。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，特别涉及一种多孔碳负载过渡金属复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

金属空气电池由金属阳极，空气电极和电解液。金属空电池通过金属和空气的氧化发生氧化还原反应因而产生电流。金属-空气电池装置具有开孔结构，允许从外部源(空气)连续且无限地供应给阴极材料。这个特征类似于燃料电池，且燃料为金属。与常规的Zn-MnO₂电池、可充铅酸、镍氢电池以及锂离子电池相比，金属空气电池具有更高的理论能量密度。这些高能量电池是由于阴极氧不储存在电池中，且阳极金属具有高的价电子。同时拥有能量转换效率高、环境友好和快速启动和关闭等优点。

锌-空气燃料电池具有安全、零污染、高能量、大功率、低成本及材料可再生等优点，是一种极具应用前景的能量储存装备。氧还原催化剂作为锌-空气电池的重要组成部分，存在电化学极化和氧还原动力学差等问题，这也极大的限制了锌-空电池的应用于发展。然而空气电极中常使用的催化剂铂碳 (Pt/C)，虽然具备优异的催化活性但成本太高，没办法实现大规模应用。因此，开发高性能、长稳定性以及低成本的过渡金属催化剂用于锌-空气电池具有，重要意义。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种多孔碳负载过渡金属复合材料的制备方法；该制备方法制备成本低，制备方法简单，且制得的复合材料具有优异的氧还原电催化活性。

本发明的另一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的多孔碳负载过渡金属复合材料。

本发明的再一目的在于提供一种上述多孔碳负载过渡金属复合材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种多孔碳负载过渡金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将过渡金属化合物、凝胶形成剂和三聚氰胺加入到有机溶剂中，加热蒸发除去有机溶剂得到凝胶态物质，取出凝胶态物质进行冷冻干燥，将干燥将所得固体研磨成粉末，将粉末在氮气或惰性气体下进行煅烧，得到多孔碳负载过渡金属复合材料。

所述过渡金属化合物中的过渡金属包括钴和锌中的一种或两种；当所述过渡金属化合物中过渡金属为钴和锌时，钴和锌的摩尔比为(1～5)：(1～20)，优选为1：4。

所述凝胶形成剂为无水柠檬酸。

所述有机溶剂为乙醇、去离子水、甲醇和丙酮中的一种或多种，优选为甲醇。

所述加热是在油浴下进行，加热温度为20～100℃，优选为60℃；所述冷冻干燥的时间为12～72h，优选为48h；所述煅烧的温度为600～1100℃，优选为900℃，煅烧的时间为0.5～3h，优选为1h。

所述过渡金属化合物、凝胶形成剂和三聚氰胺的摩尔比为(0.01～1)： (0.01～4)：(0.01～5)，优选为(0.01～0.1)：(0.01～0.4)：(0.01～0.5)。

本发明对冷冻干燥所得固体研磨成粉末状使其更好的与后续产物混合均匀，便于后续处理，本发明对固体研磨的粒径没有特别限定。