[发明专利]一种钴铁-氮杂炭材料催化剂及其制备方法和在电池中的应用

说明书

本发明属于电池材料技术领域，公开了一种钴铁‑氮杂炭材料催化剂及其制备方法和在电池中的应用，特别是锌空电池中的应用。本发明制备方法采用微波还原法合成得到，包括以下步骤：把炭材料加入钴盐和铁盐的醇溶液中，得到金属盐介孔炭混合溶液；把碱和还原剂溶于水中，滴加到上述混合溶液中，超声分散，微波还原，过滤，洗涤，得到钴铁‑氮杂炭材料催化剂。本发明还提供上述方法制备得到的钴铁‑氮杂炭材料催化剂，其具有高的比表面积，CoFe合金和氮杂炭材料具有强的协同作用，具有良好的电池充放电性能，使其可作为高性能的锌空电池正极材料，因此可应用于电池中，特别是锌空电池中。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，特别涉及一种钴铁-氮杂炭材料催化剂及其制备方法和在电池中的应用，特别是锌空电池中的应用。

背景技术

高密度便携式能量存储电子设备的快速发展急需可再生和可持续电源技术的支撑。目前，大量的研究工作致力于开发锂离子电池和超级电容器。然而，其较低的能量密度和循环寿命一直是制约因素。最近，可充电的金属空气电池由于其高的理论能量密度(1086～11140Wh/kg)和长期稳定性展现出无限的潜力和经济价值。其中，锌空电池由于其低成本、含量丰富、环境友好型的因素被认为是最具前景的能源技术。但是目前，由于空气电极端氧还原和氧溢出反应慢的动力学和差的耐久性，导致锌空电池表现出差的循环稳定性、低的输出功率密度以及较差的放电平台。同时，贵金属阴极催化剂的商业应用由于其高成本和资源稀缺严重压缩了锌空电池的经济效益。因此，开发高性能催化剂替代贵金属作为金属空气电池的双功能催化剂是至关重要的。

杂原子掺杂的炭材料由于其高活性、低成本和制备方法简单等优点在双功能催化和锌空电池领域吸引了研究者浓烈的兴趣。此外，过渡金属的引入能进一步对炭材料进行组成和结构上的调整。炭骨架中金属原子和杂原子之间通过配位作用，形成Co/Fe-N-C结构的活性中心，可以有效调控材料的电子结构，进而优化中间物种的吸附，提高材料的催化性能。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种钴铁-氮杂炭材料催化剂的制备方法。

本发明另一目的在于提供上述方法制备的钴铁-氮杂炭材料催化剂。

本发明再一目的在于提供上述钴铁-氮杂炭材料催化剂在电池中的应用，特别是锌空电池中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种钴铁-氮杂炭材料催化剂的制备方法，采用微波还原法合成得到，包括以下步骤：把炭材料加入钴盐和铁盐的醇溶液中，得到金属盐介孔炭混合溶液；把碱和还原剂溶于水中，滴加到上述混合溶液中，超声分散，微波还原，过滤，洗涤，得到钴铁-氮杂炭材料催化剂(Co-Fe/NOMC)。

上述方法中，各组分的用量为：

炭材料100质量份，钴盐137.5～825质量份，铁盐121.2～1090.8质量份，碱22.2～100质量份，还原剂8.8～40质量份。

上述方法中，所述钴盐和铁盐的摩尔比优选为1:2～2:1。

上述方法中，所述的钴盐可为水溶性钴盐，如Co(NO₃)₂、CoCl₂、CoSO₄等，优选为Co(NO₃)₂。

上述方法中，所述的铁盐可为水溶性铁盐，如Fe(NO₃)₃、FeCl₃、Fe₂(SO₄)₃等，优选为Fe(NO₃)₃。

上述方法中，所述的碱可为氢氧化钠、氢氧化钾等，优选为氢氧化钠。