[发明专利]一种类沸石咪唑酯骨架/石墨烯催化剂的制备方法及其应用

说明书

本发明提供一种类沸石咪唑酯骨架/石墨烯催化剂的制备方法及其应用。所述催化剂通过以下方法制备得到：S1、用咪唑衍生物制成沸石咪唑酯骨架，过渡金属掺杂；S2、将过渡金属掺杂沸石咪唑酯骨架与氧化石墨烯悬浊液、金属盐溶液混匀、离心、清洗、干燥，得前驱体；S3、将前驱体置于惰性气体氛围中热处理，冷却后即得。另外，本发明所述类沸石咪唑酯骨架/石墨烯催化剂在可充放电锌空电池中的应用。本发明所述催化剂具有优异的氧还原和氧析出催化活性，组装的锌空电池具有较大的功率密度，且在充放电循环中具有很强的稳定性。

技术领域

本发明涉及电催化技术领域，具体涉及一种类沸石咪唑酯骨架/石墨烯催化剂的制备方法及其应用。

背景技术

锌空电池是以空气中的氧作为正极活性物质，锌作为负极活性物质，氢氧化钾溶液作为电解液的化学电源。锌空电池具有功率密度大、能量密度高、价格低廉、原料丰富、使用安全、无环境污染等优点，是锂离子电池较为理想的替代产品。然而，在空气电极上发生的氧还原反应和氧析出反应的多步质子耦合电子转移过程极其缓慢，易在空气电极上产生较高的过电位，极大地限制了可充放电锌空电池的大规模应用。因此，研究设计来源丰富、成本低廉、高催化性能和高稳定性的双功能氧催化剂具有重要意义。

迄今为止，M-N-C(M＝Fe/Co)材料是最有效的氧还原非贵金属催化剂，其催化活性位点通常表示为N原子配位的单原子Fe或Co(Fe/Co-Nx，x表示与金属原子配位的N原子数)。例如，Adv.Funct.Mater.2019,29,1808872报道的单原子铁分散的氮掺杂碳框架(Fe-Nx-C)的氧还原反应半波电位高达0.91V，比商业Pt/C高90mV，但其氧析出反应活性不佳，在电流密度为10mA/cm₂时的过电势为600mV。对于氧析出反应，纳米级过渡金属化合物是优良的非贵金属催化剂。例如，J.Mater.Chem.A,2022报道的FeNi纳米粒子封装的氮掺杂碳纳米管，在电流密度为10mA/cm₂时的过电势为275mV，比商业IrO₂低13mV,但其氧还原反应活性不佳。

现有技术中还不存在应富含M-Nx和纳米级金属化合物的双功能氧催化剂。由于在制备过程中它们之间存在高度竞争，在同一催化剂中同时实现高浓度单原子和纳米级金属物种也是一个巨大的挑战，因为如果这两种物质均匀分散在同一种催化剂中，在高电位氧析出反应过程中，单原子金属物质的配位结构会发生变化，导致氧还原活性严重退化。因此，需要研发出能克服上述技术问题的富含M-Nx和纳米级金属化合物的双功能氧催化剂。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明提供一种类沸石咪唑酯骨架/石墨烯催化剂的制备方法。所述催化剂具有优异的氧还原和氧析出催化活性，所组装的锌空电池具有较大的功率密度，且在充放电循环中具有很强的稳定性。

本发明的技术目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供一种类沸石咪唑酯骨架/石墨烯催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1、用咪唑衍生物制成沸石咪唑酯骨架，过渡金属掺杂；

S2、将过渡金属掺杂沸石咪唑酯骨架与氧化石墨烯悬浊液、金属盐溶液混匀、离心、清洗、干燥，得前驱体；

S3、将前驱体置于惰性气体氛围中热处理，冷却后即得。

进一步地，本发明所述S1沸石咪唑酯骨架通过以下方法制备：将咪唑衍生物与金属盐各自溶解后混匀，搅拌，反应完成后离心、洗涤、干燥得沸石咪唑酯骨架。

进一步地，本发明所述咪唑衍生物选自2-甲基咪唑；优选地，所述金属盐选自六水合硝酸锌；优选地，所述咪唑衍生物与金属盐反应重量比为(20～24)：(1.1～1.2)；优选地，所述S1反应温度为室温(20-30℃)，反应时间为10min～60min；优选地，所述洗涤采用甲醇和/或乙醇洗涤；优选地，所述干燥是在60～80℃的真空干燥箱中干燥10～18h。