[发明专利]一种自支撑空气电极及其制备方法

说明书

本发明涉及一种自支撑空气电极及其制备方法。本发明所述自支撑空气电极包含支撑层及垂直附着在支撑层上的纳米棒阵列结构，支撑层起到导电和支撑的作用，而纳米棒阵列则起到催化作用，电极中不包含粘结剂和导电添加剂。构成纳米棒阵列结构的催化层材料是由碳包覆的过渡金属及过渡金属碳化物结构构成，其特征长度在20‑1000nm之间，特征直径在5‑1000nm之间。支撑层则有碳纸、碳毡、泡沫镍(铜)网、不锈钢金属网构成。这种自支撑空气电极的制备方法简单，所获得的自支撑空气电极有效增强了催化层中的传质、传荷，大大增强了电极的功率密度，提高了空气电极的寿命。

技术领域

本发明属于电极制备领域，具体的说涉及一种自支撑空气电极及其制备方法。

背景技术

金属空气电池以其能量密度高、清洁无污染等优点，被誉为21世纪化学电源领域的一次绿色革命，在涉及国民经济和国防建设的众多领域有着广阔的应用前景。近年来，随着能源短缺和环境恶化等问题的日益凸显，受到了学术界和产业界的广泛关注。

空气电极是构成金属空气电池的核心部件，是氧气电化学还原过程发生的场所，构成金属空气电池的正极部分。对于金属空气电池来讲，其负极材料(活性金属)是可以更换的，而且负极的活性较高，动力学损失相对较小。因此，整个电池的使用寿命和功率密度在很大程度上取决于正极空气电极一侧。正极的极化损失是引起空气电池效率降低的关键因素，合理的电极设计是提高电池性能的重要途径。空气电极，作为气体电极，其结构设计较为复杂。做为一个高效的空气电极，需要满足三个方面的基本条件：第一，要形成扩展的三相反应界面，提供电化学反应发生的场所；第二，要有高效的催化剂用于催化氧还原的电化学反应过程；第三，有形成有利的物质和电荷传输通道，用于传输反应气体和反应产物，以及提供离子和电子的传输通道。传统的空气电极通常是将催化剂、粘结剂和导电添加剂等混合后滚压成催化层然后和扩散层热压到一块二，或者直接刷涂到扩散层上，形成催化层。这中方法制备的催化层存在以下三个方面的问题：首先，由于添加了粘结剂，大大增加了催化层内的电荷接触电阻；其次，由于导电剂和粘结剂的加入，一方面增加了催化层厚度，不利于催化剂同反应物的接触以及反应产物的输运；最后，催化层会随着长时间的工作脱落，影响长个电池的寿命。

为此我们提出了一种自支撑电极的设计方案，这种自支撑空气电极是在支撑层上直接生长催化剂纳米棒阵列。一方面，这种原位生长于支撑层上的纳米棒阵列，同支撑层之间的结合较紧密，可以保证电极的使用寿命；另一方面，这种有序化的纳米棒阵列可以保证电极中的物质输运和电荷转移，大大提高电池的功率密度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，采用以下具体方式来实现：

一种自支撑空气电极，包括支撑层及垂直附着在支撑层上的纳米棒阵列；所述纳米棒为碳材料包覆的过渡金属、碳材料包覆的过渡金属合金、碳材料包覆的过渡金属及过渡金属碳化物。

所述支撑层起到导电和支撑的作用，而纳米棒阵列则起到催化作用，电极中不包含粘结剂和导电添加剂。

所述碳材料为氮掺杂的石墨结构的碳。

所述过渡金属为Fe或Co；所述过渡金属碳化物为FexC或CoC，其中x为1-3。

所述纳米棒直径为5-1000nm，长度为20-1000nm。

所述碳材料包覆的过渡金属及过渡金属碳化物中碳材料的厚度为0.34-340 nm。

所述支撑层为碳纸、碳布、碳毡、泡沫镍、不锈钢金属网中的一种。

所述自支撑空气电极的制备方法，包括以下步骤，

(1)纳米棒的制备：将支撑层浸入过渡金属盐的水/乙醇混合溶液中，取出后得表面垂直生长有过渡金属氧化物纳米棒阵列的支撑层；