[发明专利]一种锌空气电池用氧还原催化剂的载体材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学电源以及电化学催化领域，具体是指一种锌空气电池用氧还原催化剂的载体材料及其制备方法。

背景技术

锌空气电池作为一种金属燃料电池，由于其阴极直接与空气接触，其活性物质就是空气中的氧气，所以其具有较高比能量（其理论比能量高达1350WhKg^‐1）、低成本、环境友好等优点，近年来引起国内外科研工作者的注意，已有许多扣式锌空气电池商业化。锌空气电池由锌金属阳极、碱性电解液、以及空气阴极三部分组成。在电池放电过程中，锌阳极发生氧化反应，空气阴极则发生氧还原反应（ORR）。ORR过程比较复杂，一般认为在催化剂以及载体材料的共同作用下氧还原反应主要有四电子过程和二电子过程，四电子过程为理想过程：

四电子过程O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-E⁰=0.401V；

二电子过程O₂+H₂O+2e^-→HO₂^-+OH^-E⁰=0.065V；

HO₂^-+H₂O+2e^-→3OH^-E⁰=0.867V；

其中，二电子过程由于中间产物HO₂^-的生成则会降低锌空气电池的能量转化效率。若生成的HO₂^-继续发生2电子还原，则认为ORR过程为2+2电子过程。一般催化剂采用金属纳米颗粒，载体材料采用活性炭以及炭黑等碳材料，将金属颗粒负载到碳载体上。由于在碱性环境以及电池放电的环境下，活性炭以及炭黑容易发生腐蚀，使得金属纳米颗粒脱落以及团聚，从而降低催化剂的活性。另外一方面就是载体材料也会对ORR有催化作用，一般活性炭以及炭黑的ORR催化过程为二电子过程，不仅降低了ORR的催化效率，而且由于HO₂^-的生成加速载体材料的腐蚀。

综上考虑，使用B掺杂的多壁碳纳米管代替活性炭以及炭黑具有良好的应用前景，不仅因为B‐MWCNTs具有跟好的导电性以及化学稳定性，更重要的是其有助于ORR的进行，其对ORR催化过程为2+2过程，作为载体材料可以与催化剂发生协同作用，有助于ORR催化效率的提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种锌空气电池用氧还原催化剂的载体材料及其制备方法，锌空气电池用电催化剂载体材料在碱性环境中稳定性较好，并且使ORR经历2+2电子过程，与催化剂的ORR过程发生协同作用，提高ORR催化效率。其备工艺简单易控，可操作性强。

本发明的技术方案是：

一种锌空气电池用氧还原催化剂载体材料，该催化剂载体材料为硼掺杂多壁碳纳米管或纯多壁碳纳米管，硼的原子比例范围为0‐3.5%，多壁碳纳米管的比表面积在100—500m²g^‐1。

所述的锌空气电池用氧还原催化剂载体材料，硼的原子比例优选范围为2‐3.5%。

所述的锌空气电池用氧还原催化剂载体材料的制备方法，采用浓硫酸和浓硝酸的混酸溶液对多壁碳纳米管进行预处理，然后对酸化处理后的多壁碳纳米管与不同比例的硼酸粉末在800—1200℃下进行热处理。

所述的锌空气电池用氧还原催化剂载体材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）将多壁碳纳米管分散到浓硫酸和浓硝酸的混酸溶液中，浓硫酸和浓硝酸的体积比为（2—4）:1，50—70℃下磁力搅拌2—8h后真空抽滤，用去离子水和无水乙醇反复洗涤，待滤液呈中性，将滤饼在真空干燥箱中50—100℃干燥12—18h；

（2）取上述处理过的多壁碳纳米管，与硼酸粉末按照（1:0）—（1:20）的质量比例混合之后研磨10—20min；

（3）取混合好的材料放入刚玉舟里，然后在管式炉里800—1200℃下进行保温热处理3—5h，整个热处理过程在氮气保护下进行；将热处理之后的样品移至配置好的2—4M NaOH溶液中磁力搅拌1—3h，以去除样品中多余的硼酸及其氧化物；真空抽滤所得混合液，去离子水和无水乙醇反复洗涤干净，将滤饼在真空干燥箱中50—100℃干燥6—18h，得到B‐MWCNTs或MWCNTs催化剂载体材料。