[发明专利]复合双功能电催化剂制备方法及用于大功率锌空气电池

说明书

本发明公开一种复合双功能电催化剂制备方法及用于大功率锌空气电池，属于新材料制备技术领域。该催化剂是由化学浴沉积法得到的镍铁水滑石前驱体，退火磷化变成Ni2P/Fe2P异质磷化物与阴离子掺杂的空心碳球所构成的复合材料。该复合催化剂中，磷化退火使得镍铁水滑石前驱体变成Ni2P/Fe2P异质磷化物，其OER性能大幅提升，将其超声复合后阴离子掺杂的空心碳球既提供OER活性的载体，又是ORR活性来源。超声是为了将Ni2P/Fe2P异质磷化物分散至纳米级别，更好的与碳纳米球中间体进行耦合作用。本发明提供的一种氧还原和氧析出反应双功能催化剂，电池性能优于贵金属基催化剂，大幅提升了非贵金属双功能催化剂的活性。

技术领域

本发明属于能源环境新材料设计与纳米材料制备技术领域，具体涉及一种复合双功能电催化剂制备方法用于大功率锌空气电池。

背景技术

当代社会和工业的快速发展，传统化石燃料的枯竭会引发能源资源短缺并且造成的环境污染使得当今社会对可绿色可持续清洁能源产生了大量需求。当前，便携式电子设备普及以及电动汽车的快速发展大力推动了安全可靠的高性能储能器件的研究。高性能的储能器件被视为非常有前景的下一代清洁可持续能源系统，其中，锌空气电池由于其锌的储量丰富，成本低，无污染和高能量密度而受到广泛关注，其在柔性器件、电子设备和储能装置等应用中具有较大的应用前景。

目前，贵金属如氧化铱、氧化钌和铂基催化剂已被认为是当前最有效催化剂，然而，考虑到这些贵金属基电催化剂的高成本、稀缺性和长期耐久性差，开发低成本、电催化活性高、耐久性优异的下一代氧电催化剂似乎至关重要，但也具有挑战性。锌空气电池的空气阴极反应为氧还原反应以及析氧反应，具体而言，电池在放电过程中利用催化剂把氧气还原成水，充电过程水变成氧气的过程，然而，空气阴极上的电化学氧还原和析氧反应缓慢的动力学过程导致其充放电能力差、效率低，是制约其电池发展的的根本原因。因此，研究开发高性能且同时具有优异的双功能催化活性位点的催化剂是实现锌空气电池实际应用的关键问题。衡量双功能催化剂的关键指标是析氧反应在电流密度为10mA/cm2时的电位与氧还原的半波电位的差值△E，缩小电位差对于开发非贵金属的析氧反应和氧还原反应双功能电催化剂具有重要意义。

锌空气电池中空气阴极充放电时具有不同的反应机理，单一活性位点的电催化剂往往不能满足高性能双功能氧电催化的需求，并且无法在大电流条件下稳定工作。鉴于此，设计一种复合催化剂体系是被认为实现双功能催化非常有效的策略。目前，科研人员通过将铁钴镍三元氢氧化物与氧化石墨烯进行复合构建双功能催化剂。然后，上述的复合催化剂的双功能电催化性能明显低于贵金属催化剂，难以满足高性能电池体系的需要。并且其制备过程繁琐、方法复杂、耗时耗力、耐受性差、难以低成本大规模制备。因此，开发具有较小电位差、高性能、能在大电流下稳定充放电的双功能电催化剂及其高效的制备方法具有极大的社会价值和科学意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中贵金属基催化剂只有单一的催化性能，稳定性差，非贵金属催化剂氧析出和氧还原双功能催化性能较低的困难，易在碱性条件下衰减的缺陷和不足，且无法在大电流下稳定充放电。有鉴于此，提供一种基于Ni2P/Fe2P异质磷化物负载在阴离子掺杂的空心碳球的高活性氧析出和氧还原反应双功能催化剂，实现非贵金属催化剂对于氧还原反应和的析氧反应双功能催化，其双功能催化活性指标超过贵金属催化剂的活性；同时克服目前非贵金属催化剂合成方法复杂、难以实现大规模制备与应用的瓶颈，该方法具有设备要求低、所需原料成本低廉、反应条件易于控制、制备方法简单、高效廉价和稳定性好等优点，实现通过简便的步骤高效率的制备催化剂，从而有效促进双功能催化剂的大批量生产，为大功率锌空气电池的发展提供新的可能性。

本发明的目的在于提供一种高效双功能电催化剂。

本发明的另一目的在于提供上述高效双功能电催化剂在大功率锌空气电池领域中的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

包括如下步骤: