[发明专利]一种表面具有褶皱精细纳米组装结构的双功能电催化剂的制备方法及其在锌空电池中的应用

说明书

本发明公开了一种表面具有褶皱精细纳米组装结构的双功能电催化剂的制备方法及其在锌空电池中的应用，属于锌空电池催化剂技术领域。本发明的技术方案要点为：在前驱体MOF上引入褶皱精细结构导向剂，使其表面形成褶皱精细纳米组装结构的同时引入硫元素，再分别引入镍源掺杂剂和镁源掺杂剂，在常温下合成表面具有褶皱精细纳米组装结构的双功能电催化剂。本发明制备的纳米电催化剂具有表面褶皱精细组装结构且具有中空结构特征，增加了比表面积，因此增大了催化剂与电解液的接触面积，提高了其电催化性能。本发明中所制得的双功能电催化剂具有较好的ORR和OER催化活性，在锌空电池上具有较好的应用前景。

技术领域

本发明属于锌空电池催化剂技术领域，具体涉及一种表面具有褶皱精细纳米组装结构的双功能电催化剂的制备方法及其在锌空电池中的应用。

背景技术

作为一种新型能源转换装置，锌空电池具有环境友好、能源转换效率高等优点，在很多领域有实验性的应用，越来越受到人们的广泛关注。此外锌空电池体积小、电荷容量大、质量小、能在宽广的温度范围内正常工作、无腐蚀且工作安全可靠。相对于封闭体系的锂离子电池来说，由于锌空电池是半开放体系，用环境中的空气提供氧气，减少了空气电极体积的同时增加了能量密度。因此，锌空电池具有非常好的应用前景。

在锌空电池中，制约其发展的关键因素是电极催化剂材料，催化剂是锌空电池的核心组成部分，也是决定电池成本和性能的关键材料。常见的催化剂有贵金属催化剂和非贵金属催化剂，但是贵金属储量少，价格昂贵；而单独的非贵金属很难发挥固有的催化活性。因此，开发一种价格低、性能高的催化剂是锌空电池催化剂合成技术领域中有待解决的重要问题之一。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种表面具有褶皱精细纳米组装结构的双功能电催化剂的制备方法，该方法制得的双功能电催化剂能够用于催化锌空电池的ORR和OER反应，有效提高了锌空电池的电化学性能。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种表面具有褶皱精细纳米组装结构的双功能电催化剂的制备方法，其特征在于具体过程为：在前驱体MOF上引入褶皱精细结构导向剂，使其表面形成褶皱精细纳米组装结构的同时引入硫元素，再分别引入镍源掺杂剂和镁源掺杂剂，在常温下合成表面具有褶皱精细纳米组装结构的双功能电催化剂，其中前驱体MOF为ZIF-67，褶皱精细结构导向剂为2-巯基苯并噻唑或2-巯基苯并咪唑，镍源掺杂剂为硝酸镍，镁源掺杂剂为硝酸镁。

进一步优选，所述表面具有褶皱精细纳米组装结构的双功能电催化剂的制备方法，其特征在于具体步骤为：

步骤S1：将249mg硝酸钴和328mg 2-甲基咪唑加入到50mL甲醇中并搅拌混合均匀，常温下静置24h，用乙醇离心洗涤数次后真空干燥得到前驱体MOF；

步骤S2：将步骤S1得到的前驱体MOF和褶皱精细结构导向剂加入到乙醇中并通过水浴加热至回流反应6~8h，用乙醇离心洗涤多次后真空干燥得到表面具有褶皱精细纳米组装结构的紫色样品；

步骤S3：将步骤S2得到的表面具有褶皱精细纳米组装结构的紫色样品和镍源掺杂剂加入到乙醇中并于常温下搅拌6~8h，用乙醇离心洗涤多次后真空干燥得到具有中空结构的浅绿色样品；

步骤S4：将步骤S3得到的具有中空结构的浅绿色样品和镁源掺杂剂加入到乙醇中并于常温下搅拌6~8h，用乙醇离心洗涤多次后真空干燥，再将干燥后的样品在空气气氛中以5~10℃/min的升温速率升温至200~300℃煅烧1~2h，最终得到中空且表面具有褶皱精细纳米组装结构的十二面体形双功能电催化剂，该双功能电催化剂的平均粒径为500nm，壳层厚度为15~20nm。

进一步优选，步骤S2中所述前驱体MOF与褶皱精细结构导向剂的质量比为2.5:1；步骤S3中所述表面具有褶皱精细纳米组装结构的紫色样品与镍源掺杂剂的质量比为2.5:1；步骤S4中所述镁源掺杂剂与镍源掺杂剂的质量比为3:1。