[发明专利]一种用于固态金属燃料电池的三元纳米氮化物材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种三元纳米氮化物基双功能催化剂材料，应用于可充柔性固态金属燃料电池。本发明材料以ZIF基多孔氮掺杂碳材料（NPC）为前驱体吸附锚定铁和钴金属离子。基于晶相转变，采用“氮化‑氨化”两步法诱导合成三元纳米氮化铁钴负载的多孔氮掺杂碳材料（CoFeN@NPC）。其中，纳米CoFeN表面衍生出10‑15 nm厚的洋葱碳，该纳米颗粒均匀地负载在圆饼状NPC上。CoFeN@NPC具有优异的氧还原和氧析出催化性能。以CoFeN@NPC作为阴极催化剂组装的可充柔性固态锌空电池在电流密度为50 mA cm^‑2时，充电/放电电压间隙仅为1.21 V，并且当固态柔性电池弯折多个角度时依然保持良好的充放电循环性能。

技术领域

本发明属于新能源电池材料技术领域，具体涉及一种三元纳米氮化物基双功能催化剂材料，该材料可应用于可充柔性固态金属燃料电池领域。

背景技术

随着传统能源与环境问题之间矛盾的日益尖锐，社会迫切需要研发出新的电化学储能和转化装置来改善能源结构。可充柔性固态金属燃料电池领域中的锌空气电池由于其开放性的阳极和持续供应氧气的阴极结构赋予了其结构可调、便于携带、重量轻、成本效益高、更高的理论能量密度等众多优点。但是，目前锌空气电池的实际应用仍然非常有限，其原因在于充放电过程中阴极氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）动力学过程缓慢，影响电池整体性能。因而需要开发高效的双功能阴极电催化剂来降低反应过电位，设计合理的催化剂结构以促进电荷传输和界面相互作用，提高阴极反应效率。除了动力电池的发展，消费电子产品特别是便携式和可穿戴设备的高市场需求也推动了锌空气电池的新发展，即柔性固态锌空电池。在柔性锌空电池的构造中，锌阳极通常是箔和条状的形式涂覆在柔性的集电器中。空气阴极虽然打破传统空气电极的缺点，如重、刚性和大体积结构等特点，同样也对阴极催化的设计和发展带来新的挑战，即在弯曲、折叠或扭转等机械作用下依然保持良好且稳定的充放电性能。

由于贵金属催化剂的局限性，近年来过渡金属化合物得到了广泛的研究。过渡金属氮化物（Transition metal nitrides, TMNs）是由氮原子的掺杂占据了晶格中的间隙形成的一类化合物，具有独特的电子结构、高电导率、高耐腐蚀等特性。作为新型非贵金属催化剂，过渡金属氮化物存在其特有的局限性：（1）单一的化合物大多表现出弱导电性，低电化学活性等问题，阻碍了它们的实际应用；（2）金属氮化物本身在合成过程中易发生团聚，造成电催化活性远低于传统贵金属催化剂。因此，设计TMNs的电子结构，同时优化纳米氮化物材料的合成方法对实现优异的双功能催化性能具有重要意义。TMNs的电子结构可以通过原子掺杂和缺陷诱导等方式来调整。原子掺杂通常会引起微机械应力，从而导致原子排列的细微扭曲和电子密度的再分布，诱导新的活性位点。针对TMNs的纳米化，采用吸附锚定的方式可以减小颗粒的团聚现象，原位生成的保护膜又可以避免颗粒在高温处理过程中的进一步粗化。

对于优异的电催化剂来说，除了选择TMNs作为活性物质，充足的反应面积是进行高效催化反应的基础。增加材料的导电性，加快电子在催化剂表界面上的快速传导可以极大降低反应过电势；稳定的扩散通道可以加快气、固、液三相界面的气体和离子的传输。因此，选取具有多孔结构的基底材料进行复合形成金属氮化物基材料，不仅可以暴露更多的氮化物活性物质，还可以制造稳定的离子传输通道，协同提高氮化物的催化活性。

发明内容

针对上述背景技术中存在的问题和材料发展趋势，本发明目的在于提供了一种用于可充柔性固态金属燃料电池的三元纳米氮化物材料的制备方法，该材料的ORR、OER双功能催化性能优异。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于固态金属燃料电池的三元纳米氮化物材料的制备方法，其包括如下步骤：

(1) 以前驱体Zn-ZIF为前驱体，在惰性气氛（如氮气、氩气等）下于800-1000 ℃热处理1-3h，得到三维氮掺杂多孔碳材料NPC；

(2) 将金属铁盐和金属钴盐均匀溶于异丙醇中，获得金属盐溶液，再将步骤(1)所得NPC分散在金属盐溶液中，经超声、离心、真空干燥，得到黑色粉末；