[发明专利]一种高稳定性双过渡金属掺杂碳化钨基锌空气电池阴极材料的制备方法及其应用

说明书

本发明属于能源材料研究领域，涉及一种高稳定性双过渡金属掺杂碳化钨基锌空气电池阴极材料的制备方法及其应用；步骤为：将氧化石墨烯分散液超声分散后，加入两种过渡金属盐溶液和钨酸钠溶液，水热反应后加入细菌纤维凝胶，混合后加入石墨相氮化碳，冷冻干燥后得到的产物加入坩埚中，密封后置于一端封口的石英管中，置于马弗炉中煅烧，煅烧后经冷却、酸洗，再次加入坩埚中，密封后置于一端封口的石英管中，按照上述相同煅烧方法进行二次煅烧，煅烧后得到双过渡金属掺杂碳化钨基锌空气电池阴极材料；本发明所使用的材料安全环保，且所制备的材料具有优异的催化性能，并用于成功组装了锌空气电池，表现出良好的性能，具有十分可观的应用前景。

技术领域

本发明属于能源材料研究技术领域，具体涉及一种高稳定性双过渡金属掺杂碳化钨基锌空气电池阴极材料的制备方法及其应用。

背景技术

随着社会能源短缺和环境问题的加剧，如何改变能源架构成为迫在眉睫的问题，这迫使人们研究开发更加环保且高效的新能源，如化学能、太阳能、风能等。而与之相对应的可再生能源转换装置也是符合未来可持续发展理念和当前发展趋势。其中燃料电池和锌-空气电池是典型的例子。从理论上讲，它们几乎是高效，清洁和廉价的代名词。以锌-空气电池为例，其工作过程中消耗的是空气中的氧气以及廉价且易获得的金属锌，产物也是无污染的水以及可再利用的ZnO，这完全符合环保的理念。根据文献报道，锌-空气电池的理论能量密度能达到1086Wh kg^-1。锌-空气电池的运行过程中涉及到氧气还原和析出反应。氧气反应涉及气-液-固三相的反应过程，其反应动力学必定复杂且缓慢。因此，设计促进该过程顺利进行的催化剂是必不可少的。经过多年的研究，催化氧反应的催化剂的种类非常丰富，它们各有优势，同样也不可避免地存在一些缺陷。通过综合考虑，目前公认的最受认可的催化剂是铂基催化剂(以商品Pt/C为代表)。尽管如此，Pt/C的缺陷仍然非常明显。在新能源电池的普及中必须考虑产出和成本之间的关系。昂贵的市场价格和供应限制是阻碍其发展的重要因素。Pt/C的稳定性不足以满足日益高的工业需求，特别是在酸性电解液中，Pt/C的稳定性明显不足。

为了满足未来市场的需求，新型氧反应催化剂的研究和开发是非常必要的。用普通材料代替贵金属铂有助于解决昂贵材料的问题。然而，必须指出的是，大多数研究集中在如何改善材料的催化性能而减少对催化稳定性的关注。催化剂性能的改善似乎已经达到了瓶颈，有许多工作已经开始转向催化稳定性的研究，期望它们在不牺牲催化活性的情况下使催化稳定性最大化。其中，钨基催化剂是一种非常有前途的品种。在钨基催化剂中，碳化钨具有类铂电子结构并具有非常高的稳定性，而受到广泛的关注。然而，碳化钨的工业合成需要大量的能量和苛刻的条件，我们期望以更简单，更方便的方式获得碳化钨，并合成需要的催化剂。

通过过渡金属和氧化钨或者钨酸盐的作用，可以在更加简单的条件下获得碳化钨。并且在此过程中，可以将过渡金属掺杂到碳化钨晶格中，改变其电子结构，以获得性能的提升。已经有许多研究表明，过渡金属Fe、Co等掺杂的碳化钨表现出比碳化钨更优异的催化性能。实际上不同的过渡金属对碳化钨电子结构的影响是不同的，在碳化钨中掺入两种过渡金属，通过调节比例来进一步调节电子结构，在保证碳化钨稳定性的前提下提高其催化活性。

发明内容

针对于目前碳化钨氧还原电催化剂性能缺陷和繁琐合成流程，本发明提供了双过渡金属掺杂碳化钨基氧还原电催化剂，其优点在于有效地提高了碳化钨的催化活性并保持其优异的稳定性。本发明旨在通过双过渡金属掺杂调节碳化钨的电子结构以有效地提高其催化活性，并保持碳化钨原有的稳定性。

一种高稳定性双过渡金属掺杂碳化钨基锌空气电池阴极材料的制备方法，步骤如下：

(1)准备工作：将氧化石墨烯分散液超声分散后，加入M1、M2两种过渡金属盐溶液和钨酸钠溶液；混合搅拌后，转移到高压反应釜中进行水热反应，得到前驱体；