[发明专利]一种柔性金属空气电池用催化剂及其制备方法、金属空气电池

说明书

本发明涉及一种三维的碳化铁和二氧化锰复合的纳米材料催化剂和其相应的制备方法，以及由其作为催化剂的柔性锌空气电池和铝空气电池，属于金属空气电池技术领域。本发明的柔性金属空气电池的纳米材料催化剂的制备流程包括以下几个步骤：1)将硝酸锰溶液缓慢均匀地滴入铁氰化钾溶液中，经过12个小时地静止老化，离心固液分离得到前驱体纳米方块。2)将步骤一中得到的固体纳米方块在800℃的氢氩混合气条件下进行退火处理，得到三维的碳化铁和二氧化锰复合的纳米材料。

技术领域

本发明涉及一种柔性金属空气电池的催化剂的制备以及柔性金属空气电池，所以本发明属于金属空气电池技术领域。

背景技术

现如今，由于能源危机和世界各国对于环境保护的日益重视，传统的化石燃料在储备量和环境保护方面相较于新能源都不占优势，所以新能源产业在如今正在飞速发展着。由于新能源产业的发展，传统的新能源材料与器件显然已经不能完全适应如今的新能源产业，例如传统锂离子电池虽然技术成熟，但是还是会存在如安全性能不够高，能量密度低，生产方式复杂等问题亟待解决。所以如今的生产与生活对于新能源器件的要求越来越高，找到一种新的储能技术是当下的新能源科研工作者亟需解决的问题。柔性金属空气电池相较于传统的锂离子电池有着体积小，容量大，成本低，可穿戴等优秀特质，所以成为了现如今最有潜力的储能器件之一。

但是，主要影响柔性金属空气电池的氧析出反应(OER)和氧还原反应(ORR)在没有有效催化剂的条件下电极反应缓慢，从而导致了柔性金属电池低能源利用效率和循环寿命短等各方面的问题。现在比较成熟的OER和ORR催化剂均为贵金属材料，这种催化剂的成本高，不利于柔性金属空气电池的大规模使用，并且贵金属催化剂大多为单功能催化剂，实际生产时不如双功能催化剂具有优势。所以，双功能，低成本的非贵金属催化剂的研究时柔性金属空气电池的研究重点。

如今，对于上述存在的问题，各种学科的科研工作者们研发了包括掺杂碳材料，过渡金属氧化物/硫化物/氮化物以及各种耦合复合材料等催化剂。这些材料大多具有低成本，双功能，催化性能好等各种特点，本发明设计到的三维的碳化铁和二氧化锰复合纳米材料催化剂中二氧化锰作为热门的OER，ORR催化剂材料存在导电性能差的特性，在于碳化铁复合后增强了材料的导电性，并且由于化学协同作用提高了材料的催化活性，含有孔隙结构的方块材料大大提高了材料的比表面积，所以材料表现出很好的催化性能。

发明内容

本发明提供了一种过渡金属碳化物和过渡金属氧化物的三维复合催化剂材料的制备方法，该催化剂具有较高的OER和ORR催化活性。

本发明还提供了一种使用上述金属空气电池用催化剂的金属空气电池，具有较高的充放电效率和循环寿命。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种金属空气电池用三维过渡金属复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：

1)将硝酸锰给溶液缓慢均匀地滴加进铁氰化钾溶液中，滴加完成后静置12h老化，固液分离得到前驱体方块。

2)将步骤1)中地前驱体方块在氢氩混合气气氛下退火即可得到最终产物。

本发明的制备方法简单，得到前驱体之后在氢氩混合气体条件下由于氢氩混合气体的还原作用，使前驱体中的碳离子被还原形成了碳纳米管，提高了材料的导电性和比表面积。氢氩混合器氛围下得到碳化铁和二氧化锰的方块纳米材料由小颗粒组成，所以在材料中存在空隙结构，活性位点暴露得更加充分，提高了材料得OER和ORR催化活性。

在上述方法步骤1)中，为了使各物料能够充分混合，优先的选择了在搅拌条件下进行滴加。

在上述方法的步骤1)中，为了使固液分离时前驱体形貌不被破坏，优先选择离心转速为8000转每分钟，离心时长为5min。

在上述方法的步骤1)中，为了清洗掉前驱体的溶液中包含的离子杂质，使用了水和乙醇作为离心溶剂。