[发明专利]双金属原子掺杂多孔碳材料催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电池技术领域，公开了双金属原子掺杂多孔碳材料催化剂及其制备方法和应用。该双金属原子掺杂多孔碳材料催化剂包括Fe、Y掺杂的多孔碳材料，且Fe负载于Y掺杂的多孔碳材料。该双金属原子掺杂多孔碳材料催化剂在不使用贵金属的情况下，就具有高效催化性能，将该双金属原子掺杂多孔碳材料催化剂应用于电池阴极材料中，可显著提高电池(例如锂空气电池)的电容量和循环性能。

技术领域

本发明属于电池技术领域，特别涉及双金属原子掺杂多孔碳材料催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

高能量密度和环境友好型的锂空气电池，是目前备受瞩目的电化学储能电池之一。其理论能量密度(～3500Wh·kg^-1)几乎是锂离子电池(～300Wh·kg^-1)的十倍以上，这种超高能量密度的化学电池以金属锂作为阳极，空气中的氧气作为阴极的活性物质，通过O₂分子和Li⁺之间可逆转化的氧化还原反应，存储更多的能量。锂空气电池具有工作电压高，成本低、环境友好等优点，有望在动力电源领域取代锂离子电池成为下一代能量储存和转换装置。

然而，实用性锂空气电池的开发仍面临诸多挑战，由于传质效率低，氧还原和氧析出反应动力学缓慢，副反应复杂导致电池产生电化学性能低和循环寿命差等问题，阻碍了锂空气电池的商业化应用。因此，具有高活性和稳定性的新型阴极材料的研究，对于锂空气电池的进一步发展和应用具有重要的现实意义。

目前，锂空气电池阴极材料主要包括贵金属催化剂、非贵金属、碳材料(碳纳米管，碳纳米纤维、石墨烯等)，但是由于催化活性不足，放电产物的积累问题，对电池的性能(例如电容量低)和循环寿命产生不利影响。

因此，亟需提供一种新的电池阴极材料，该阴极材料可提高电池性能。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出双金属原子掺杂多孔碳材料催化剂及其制备方法和应用，本发明所述双金属原子掺杂多孔碳材料催化剂应用在电池阴极材料中，具有良好的催化效率，且不使用贵金属，生产成本大大降低，应用在电池中，例如锂空气电池，可显著提高锂空气电池的电容量和循环性能。

本发明的发明构思为：本发明所述双金属原子掺杂多孔碳材料催化剂的结构和组成特点是Fe分散在Y掺杂的多孔碳材料中，所述双金属原子掺杂多孔碳材料催化剂在不使用贵金属的情况下，就具有高效催化性能，将所述双金属原子掺杂多孔碳材料催化剂应用于电池阴极材料中，可显著提高电池(例如锂空气电池)的电容量和循环性能。

本发明的第一方面提供双金属原子掺杂多孔碳材料催化剂。

具体的，双金属原子掺杂多孔碳材料催化剂，包括Fe、Y掺杂的多孔碳材料，且Fe负载于Y掺杂的多孔碳材料。

优选的，所述双金属原子掺杂多孔碳材料催化剂中，所述Fe与Y的摩尔比为0.8-6：1，优选1-5：1。

优选的，所述Y掺杂的多孔碳材料具有多孔结构。多孔碳材料由MOF材料(金属-有机框架材料)碳化衍生得到。

优选的，所述Y掺杂的多孔碳材料中，Y的质量占比为3-10％，优选4-8％。

本发明的第二方面提供双金属原子掺杂多孔碳材料催化剂的制备方法。

具体的，双金属原子掺杂多孔碳材料催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将含Y的有机化合物与溶剂混合，再加入咪唑类物质和锌盐，反应，制得Y掺杂的MOF材料；

(2)取含铁元素的化合物，采用气相沉积法将含铁元素的化合物中的铁原子分散在步骤(1)制得的Y掺杂的MOF材料中，酸洗，制得所述双金属原子掺杂多孔碳材料催化剂。