[发明专利]表面负载有Au纳米颗粒的碳纳米管阵列电极及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂空电池催化电极领域，具体涉及一种表面负载有Au纳米颗粒的碳纳米管阵列电极及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池现在被广泛用作移动电子设备，如智能手机、笔记本电脑等，并且在电网储能、电动汽车领域具有巨大的市场。但是，锂离子电池的能量密度较低，限制了其在大规模储能领域中的应用，如在电动汽车上大规模使用。相比之下，锂空电池的能量密度较高，远超传统的锂离子电池，但大规模储能领域，特别是电动汽车中具有诱人的应用前景。

与传统锂离子电池的(锂离子)穿梭机理不同，锂空电池的工作基于过氧化锂(Li₂O₂)的形成与分解，即但过氧化锂的导电性极差，在充电过程中很难分解，造成大的过电位和较为严重的副反应。一般认为，引入催化剂可降低过电位，常见的催化剂有碳材料(如石墨烯、碳纳米管等)、过渡金属氧化物(如MnO₂，Co₃O₄)、贵金属等。碳材料价格便宜、电导率高被广泛用作催化剂，但其催化性能较弱，往往要和贵金属或氧化物复合以提高其催化性能。

Li₂O₂的沉积一方面会导致电极的钝化，另一方面会造成电极的阻塞，影响锂离子和氧气的传导。将电极设计成阵列型，利用阵列电极固有的空隙来填充Li₂O₂是解决办法之一，将碳材料设计成阵列型电极，可进一步利用碳管的导电性。但由于Li₂O₂生长往往不可控，不能从根本上解决问题。比较理想的情况是，通过某种“引导”作用，将Li₂O₂生长于碳管内部，如引入贵金属来“引导”生长Li₂O₂；碳管本身应具备某些理想结构：如不完整，如开裂、开口等，以利于Li₂O₂的“填入”。

该类电极设计对于解决锂空电池的问题具有重要的理论意义及实际应用价值，但目前还没有这方面的文献报道。

发明内容

本发明提供了一种用于锂空电池的载有Au纳米颗粒的碳纳米管阵列型电极及其制备方法和应用。制备工艺简单，能耗低、成本低，适合于大规模工业化生产；制备得到的载有Au纳米颗粒的碳纳米管阵列具有控制Li₂O₂生长的功能，将其应用于锂空电池，可提高锂空电池的电化学性能，特别是降低极化和提高循环稳定性。

本发明公开了一种表面负载有Au纳米颗粒的碳纳米管阵列电极的制备方法，包括以下步骤：

1)将六水合硝酸锌、六亚甲基四胺溶于去离子水，再加入氨水，搅拌均匀后得到混合溶液；

所述六亚甲基四胺和六水合硝酸锌的摩尔比为0.5～2.0；

所述氨水与去离子水的体积比为0.03～0.1；

所述混合溶液中Zn²⁺浓度为0.01～0.05mol/L；

2)将泡沫镍浸入混合溶液中，经70～110℃水热反应2～10h，再经后处理得到表面载有氧化锌纳米棒的泡沫镍，记为Ni/ZnO；

3)将步骤2)得到的Ni/ZnO在室温下用溅射法喷金60～120s，再浸入浓度为0.05～0.15mol/L的葡萄糖溶液中，取出后进行热处理得到载有氧化锌、金纳米颗粒和碳纳米管的泡沫镍，记为Ni/ZnO/Au/CNT；

所述热处理的温度为500～700℃，时间为2～10h；

4)将Ni/ZnO/Au/CNT浸入浓度为1～3mol/L的NaOH水溶液中去除ZnO，经后处理得到所述的表面负载有Au纳米颗粒的碳纳米管阵列电极，记为Ni/Au/CNT。

本发明以三维多孔泡沫镍为基体，通过水热法(结合热处理)在Ni基体上直接制备载有金纳米颗粒的碳纳米管阵列，并保留了泡沫镍的三维多孔结构，有利于锂离子和氧气的扩散。碳纳米管起到了三重作用，不仅为电极提供导电作用及对Li₂O₂形成和分解提供催化作用，而且可支撑和分散Au纳米颗粒。