[发明专利]低温熔盐法制备氧电双功能电催化剂及锌空气电池的应用

说明书

本发明公开了低温熔盐法制备氧电双功能电催化剂及锌空气电池的应用。选用氯化锌、氯化钠用作双元共晶低温熔盐，称量含有金属的碳源、硫源进行混合均匀，之后再次称量氯化锌、氯化钠加入到上述混合物中进行混合得到颜色均一的前驱体；在保护气氛下退火得到产物，去离子水洗涤。氯化锌、氯化钠在高温时不仅会形成一个半封闭碳化的离子液体约束的空间，氯化锌中的锌离子在高温时挥发会充当造孔剂。具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，所述的双功能催化剂电催化剂经高温退火得到的由氮硫共掺杂具有独特的三维结构的碳纳米球材料，并且氯化锌中的锌离子在高温时会形成硫化锌负载在碳纳米球上，协同作用使得其具有较好的氧还原性能和氧析出性能。

技术领域

本发明属于能源环境与纳米材料技术领域，具体涉及一种低温熔盐法制备高比表面积，高活性的氧电双功能电催化剂用于高稳定性锌空电池正极。

背景技术

化石燃料的滥用会引发能源资源短缺以及环境污染，迫切需要开发和利用绿色可持续能源。目前锂离子电池现在处于能源储存的前沿。锂离子电池的理论能量密度约为400Wh kg⁻¹，能量密度不足严重阻碍了其在一些需要高能量密度电源的领域下的应用。相比之下，锌空气电池由于其低成本、无污染和高理论能量密度(1086Wh kg^-1)而备受关注。然而，氧还原反应和氧析出反应固有的慢反应动力学导致其充放电能力差、效率低、将其制备成液态锌空电池正极时，循环稳定性差。

贵金属如铂族金属(PGM)，氧化铱（IrO₂），氧化钌(RuO₂)催化剂是目前最有效的催化剂，但因其催化功能单一、成本高、长期稳定性差和稀缺严重的阻碍了他们的大规模商业化。鉴于此，开发具有高活性和耐久性以及低成本的替代品至关重要。过渡金属催化剂因其具有较好的电化学活性、廉价和资源丰富等优点，成为当下科研工作者的研究热点。其中，铁基碳材料催化剂因其具有优异的催化活性，被认为是最具发展前景的贵金属催化剂的替代品，在近几年得到了广泛的研究，并取得了迅速的进展。

三维碳纳米球材料是一种理想的结构，其具有较大的比表面积，因而可以使更多的活性位点暴露，并且其具有独特的三维结构。由于电化学催化反应通常发生在材料的表面，较大的比表面积可以暴露更多的活性位点，提供更快的电荷转移途径。氯化锌、氯化钠在高温时可以帮助形成多孔碳结构，同时可以有效地保存氮增强的N掺杂物。低温熔盐作为一个半封闭反应器，能够有效促进碳材料热解过程中中间物质的分解和均匀金属掺杂。氯化锌、氯化钠在退火过程中离子液体中锌阳离子的挥发对碳材料孔隙率有重要作用，从而获得更大的比表面积，并且也会形成硫化锌也能附着在碳基体上形成活性物种。但现如今，碳材料催化剂材料的制备过程繁琐，耗时耗力，合成过程污染性大，耐受性差，且只具备单一催化性能，因此限制了它在高性能锌空电池正极中的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中碳材料催化剂的双功能催化活性不佳、制备繁琐且易在碱性条件下衰减的缺陷和不足，应用于锌空电池稳定性不足等缺陷。有鉴于此，提供一种氧电双功能电催化剂的方法，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、功能齐全、高效廉价和稳定性好等优点，可用于OER和ORR的双功能电催化剂。并将制备的催化剂用于锌空电池正极。

本发明的目的在于提供一种氧电双功能电催化剂。

本发明的另一目的在于提供上述氧电双功能电催化剂在高性能锌空电池正极的应用。

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:

S1:选用氯化锌、氯化钠用作双元共晶低温熔盐；

S2:依次称量含有金属的碳源、硫源进行混合均匀，称量氯化锌、氯化钠加入到上述混合物中再次混合均匀，得到颜色均一的前驱体；

S3:将研磨得到混合均匀的前驱体在惰性气体的保护下700~1000℃退火1～3h，即得到高温固体产物；

S4:将所述高温固体产物用去离子水充分洗净，得到所述氧电双功能电催化剂。