[发明专利]一种锌-空气电池及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种锌‑空气电池及其制备方法与应用，以三维碳纳米管丛林复合材料作为氧气还原反应（ORR）和氧气析出反应（OER）电催化剂，将三维碳纳米管丛林复合材料负载在导电基底上作为空气电极，再与电解液、负极常规组成锌‑空气电池。本发明为通过一步热解气相法制备高效、可控的三维CNT提供了一条新途径。CNT的管径和内嵌的金属颗粒的粒径细小均一且分散均匀、拥有较大的比表面积和丰富的微/纳孔洞通道有利于暴露更多的活性位点以及物质的传输，从而在ORR和OER过程中表现出极小的过电势和优异的稳定性，并成功应用于ZAB作为正极催化剂表现出良好的循环稳定性和较小的电势极化。

技术领域

本发明涉及一类可作为锌-空气电池电催化剂的新型三维碳纳米管丛林制备的锌空气电池。

背景技术

锌-空气电池（ZAB）由于具有较高的理论能量密度、环境友好性、高安全性以及低成本，从而被认为是极具潜力的下一代储能电源。其中，放电过程中涉及的氧气还原反应（ORR）和充电过程中的氧气析出反应（OER）是可充电ZAB的两个关键电化学过程。由于ORR和OER都涉及到缓慢的多电子转移反应动力学过程，因此迫切需要开发稳定且高效的双功能氧气催化剂并用于可充电ZAB。尽管目前铂基材料作为ORR催化剂和铱/钌基材料作为OER催化剂被商业化应用，但是这些贵金属催化剂仅表现出单一的催化活性，并且它们的成本高、稳定性差，极大地限制了其在可充电ZAB中的应用。因此，急需探索高效、低成本的可逆双功能氧气电催化剂。

近年来，大量的研究报道表明，封装在氮掺杂碳纳米管（N-CNT）中的过渡金属合金纳米颗粒（TMA-NP）可有效改善电催化剂的活性位。TMA-NP和N-CNT之间的强结合可以有效改善碳骨架的电子结构，从而降低了氧气及其中间体在催化剂上的吸附能垒，有利于它们之间的键合。对于N-CNT材料中镶嵌TMA-NP的这类复合材料，一种简单的类似化学气相沉积（CVD）的直接热解法引起了人们的广泛关注，涉及在管式炉中直接加热金属盐（例如硝酸盐、盐酸盐和醋酸盐等）和N/C前体（例如双氰胺，三聚氰胺，谷氨酸等）。然而，通过这种方法合成的核/壳结构的TMA-NP/N-CNT复合材料会存在一些不可忽视的问题：前体混合物的直接分解会导致金属颗粒的团聚和不均匀分散，从而导致生长的CNT的管径粗细不一。因此，需要研发新的热解方法制备可逆双功能氧气电催化剂，适用于锌-空气电池。

发明内容

本发明公开了一种锌-空气电池，该锌-空气电池电极催化采用镶嵌FeNi合金的三维碳纳米管丛林（FeNi@NCNT-CP）电催化剂，制备成本低，生长的CNT的管径粗细均匀。

本发明采用如下技术方案：

一种锌-空气电池，电催化剂为三维碳纳米管丛林复合材料，即其空气电极为负载三维碳纳米管丛林复合材料的导电基底；所述三维碳纳米管丛林复合材料的制备方法为，将氮前驱体、铁前驱体、镍前驱体与水混合后冷冻干燥，得到前驱体混合物粉末；再将前驱体混合物粉末置入小烧结容器内，然后将小烧结容器倒扣在大烧结容器上，并在大烧结容器上、小烧结容器外侧放置棉布，再于氮气中煅烧，得到三维碳纳米管丛林复合材料。

本发明中，锌-空气电池的电催化剂为首次制备的三维碳纳米管丛林复合材料，其余部件都为常规技术；该锌-空气电池还包括常规的负极、电解液；导电基底为碳纸，三维碳纳米管丛林复合材料在碳纸上的负载量为1.0 mg cm^-2；负极为锌片，电解液为含有0.2 M的乙酸锌的6.0 M KOH水溶液。

本发明将三维碳纳米管丛林复合材料负载在导电基底上作为空气电极，再与电解液、负极等常规部件组成锌-空气电池；具体制备方法为常规技术。