[发明专利]一种双功能电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种双功能电催化剂及其制备方法和应用。双功能电催化剂的内核为类钙钛矿氧化物纳米纤维，化学式Pr_zSr_2‑zNi_yCo_1‑yO_2‑ε，z＝0～2，y＝0～1，ε＝0～0.25，外层为ALD技术沉积的异原子掺杂的CeO₂薄膜Fe_xCe_1‑xO_2‑δ，Fe掺杂比例x＝0～0.3。本发明先得到类钙钛矿氧化物纳米纤维PSNC，将纳米纤维PSNC放入ALD系统腔体内真空升温，在纳米纤维PSNC上进行循环沉积，得到在纳米纤维PSNC上沉积的铁掺杂铈的氧化物薄膜。本发明的双功能电催化剂，可在碱性条件下保持优异的ORR/OER催化活性，应用于锌空电池阴极催化剂表现出良好的倍率和循环性能。

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域，尤其涉及一种双功能电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

金属空气电池因其绿色清洁，高能量密度和可循环等优势在能源储存与转化领域备受关注。由于锌的地球储量丰富，价格较低，且在碱性电解液中耐腐蚀性强，因此锌空气电池具有大规模应用的商业化前景。氧析出反应(OER)和氧还原反应(ORR)作为锌空气电池阴极的两个重要的半反应，由于电子转移过程复杂，其反应存在着较高的过电势，导致了锌空气电池的能量效率较低，因此对应的双功能电催化剂的研究就显得尤为重要。

贵金属基催化剂虽然催化活性较高，但因其储量较少，价格昂贵且功能单一，为其大规模应用造成了困难。目前非贵金属基催化剂的研究成为该领域的热点。钙钛矿型氧化物价格低廉而储量丰富，具有可调节的电子结构，因此具有较高的潜在电催化活性。然而，传统固相反应法制备的钙钛矿型材料的电子电导率及本征催化活性较低，在氧化物表面引入的纳米尺寸催化剂可以显著增加活性位点并提升催化活性，有望得到满足商业化需求的高效且稳定的催化剂。

目前纳米修饰催化剂的方法一般为机械混磨法、浸渍法和化学气相沉积法。机械混合法制备而引入的纳米颗粒与氧化物电极颗粒之间接触面积小、附着作用力弱，修饰后的复合物长期稳定性较差；浸渍法和气相沉积法需要以后续高温处理的方式在颗粒表面沉积纳米催化剂，这样有可能破坏氧化物的结构与原始形貌；不仅修饰物种分布不均，浸渍量可控性差，不易于控制修饰量，且工艺周期较长，制备成本较高，从而限制了其实际应用。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种在碱性条件下保持优异的ORR/OER催化活性，应用于锌空电池阴极催化剂表现出良好的倍率和循环性能的双功能电催化剂及其制备方法和应用。

本发明的一种双功能电催化剂，所述双功能电催化剂的内核为类钙钛矿氧化物纳米纤维，其化学式Pr_zSr_2-zNi_yCo_1-yO_2-ε，z＝0～2，y＝0～1，ε＝0～0.25，外层为ALD技术沉积的异原子掺杂的CeO₂薄膜Fe_xCe_1-xO_2-δ，其中金属Fe掺杂比例x＝0～0.3，δ＝0～0.1。

进一步的，所述z为0.5、1.0或1.5，y为0.5，x为0、0.1、0.2或0.3。

一种如上述的双功能电催化剂的制备方法，包括如下步骤：

S1：根据化学式Pr_zSr_2-zNi_yCo_1-yO_2-ε，按化学计量比分别称取Pr源，Sr源，Ni源和Co源依次溶解于有机溶剂中，搅拌至完全溶解后加入聚乙烯吡咯烷酮，继续搅拌至溶液呈粘稠状态；

S2：利用静电纺丝技术对该溶液进行纺丝，纺丝完成后干燥；