[发明专利]一种负载型锂掺杂四氧化三钴纳米复合催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种负载型锂掺杂四氧化三钴纳米复合催化剂及其制备方法。此催化剂具有优异的氧气还原反应催化活性，可用作氧气还原反应的催化剂或锂离子电池正极材料。

背景技术

氧还原反应被广泛应用于清洁能源中，一直以来都是电化学领域中的研究重点，但是氧化还原反应本身是比较缓慢的，需要加入催化剂来促使反应的发生，所以氧还原催化剂的研究具有重要意义。现在铂基材料是氧还原催化活性最好的一类材料，但是其价格昂贵，稳定性较差，限制了其应用。所以制备出一种催化活性可与铂基材料相提并论且稳定性好，价格低廉的催化剂具有重大意义。除了铂基材料外，现在主要研究的氧还原催化剂主要有金属氧化物，金属螯合物和掺杂碳材料。在这些催化剂中，过渡金属氧化物表现出了良好的氧还原催化性能。

其中Co₃O₄由于其在碱性溶液中，表现出了高的氧还原活性和稳定性，因而引起了人们的广泛研究。但是Co₃O₄的导电性较弱，且我国钴资源比较匮乏，所以提高Co₃O₄的导电性，同时减少钴的用量是目前钴基催化剂的主要研究方向。而在Co₃O₄中掺入锂，晶体中的位错密度和缺陷数量增加，使电子转移容易发生，所以使Co₃O₄的导电性提高。而里的掺入还会是Co₃O₄的阳离子分部发生改变，进而提高Co₃O₄的催化活性和电化学性能。而且锂的掺入还可以减少钴的用量。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种负载型锂掺杂四氧化三钴纳米复合催化剂及其制备方法，其对氧化还原反应具有高催化活性。进一步的，本发明的目的是提供制备工艺简单，成本低廉，粒径易于控制，催化剂易于工业化生产的制备方法。该催化剂在碱性介质中具有较高的氧还原电催化活性和稳定性。

本发明提供一种负载型锂掺杂四氧化三钴纳米复合催化剂，该催化剂为固体粉末，锂掺杂四氧化三钴颗粒均匀地负载在酸化碳黑表面。催化剂的粒径为5nm左右。

本发明的催化剂不仅可应用于氧气还原反应，而且还可应用于锂离子电池正极材料。

本发明还提供上述催化剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）配制锂钴摩尔比为1:100～1:2的锂盐和钴盐的乙醇溶液，将硝酸酸化的碳黑加入溶液中，加入的钴盐和碳黑的质量比为0.78:1～3.1:1，超声分散10-60min，调节溶液的pH值为8～12，继续超声分散10-60min，得到含有钴盐、锂盐和碳黑载体的混合液；

（2）把混合液倒入容器中，在磁力搅拌下进行冷凝回流，油浴温度控制在50°C～150°C，反应时间为4～12h，反应结束后，自然冷却；

（3）将步骤（2）的反应液倒入水热反应釜中，在高温下进行水热反应，反应结束后，自然冷却，对反应液进行离心，洗涤，干燥，得到所述负载型锂掺杂四氧化三钴纳米复合催化剂。

优选的，所述的可溶性钴盐为醋酸钴，所述的可溶性锂盐为醋酸锂，锂和钴的摩尔比为1:20～1:5。

优选的，所述碳黑是Vulcan XC-72、石墨化碳黑、碳纳米管或石墨烯。负载量为25%～100%。

优选的，步骤（1）的乙醇溶液中，乙醇和水的比为14:1～16:1，的pH调节剂为氨水。

优选的，步骤（3）的水热反应的温度为100°C～200°C，反应时间为2-5h，水热反应釜中溶液的体积占釜容积的60%～80%。

优选的，步骤（3）的干燥温度为60°C～80°C，干燥时间为5-15h。

本发明还保护上述负载型锂掺杂四氧化三钴纳米复合催化剂作为氧气还原反应催化剂的应用，以及作为锂离子电池正极材料的应用。

本发明采用水热法制备的负载型锂掺杂四氧化三钴纳米复合催化剂，锂的掺入不仅可以提高四氧化三钴的催化性能和电化学性能，而且还克服了四氧化三钴导电性较弱、比表面积较小的缺点，但是又不会改变四氧化三钴的尖晶石结构。该催化剂在碱性溶液中具有较好的氧气还原反应催化性能，例如，在1M NaOH溶液中起始还原电位约为-0.1696V。该催化剂可应用于锂空气电池的阴极氧气还原催化剂和锂离子电池正极材料。

附图说明