[发明专利]基于钯镍合金纳米片电催化剂的可充放电锌空电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于钯镍合金纳米片电催化剂的可充放电锌空电池及其制备方法，以N,N‑二甲基甲酰胺作为反应溶剂、氯化铁为腐蚀剂、溴化钾和六羰基钼为配位剂、聚乙烯吡咯烷酮为表面活性剂，抗坏血酸为还原剂，六水合氯化镍为镍源，乙酰丙酮钯为钯源来制备钯镍合金纳米片。将制备的钯镍合金纳米片作为锌空电池阴极电极电催化剂进行可充放电锌空电池的组装。本发明通过制备组分可控、高比表面积、活性位点丰富的钯镍合金纳米片，并具有良好的ORR和OER电催化活性，再用简单易行、绿色化学的方法组装得到高功率、高稳定性的可充放电锌空电池。

技术领域

本发明涉及锌空电池领域，特别是一种基于钯镍合金纳米片电催化剂的可充放电锌空电池及其制备方法。

背景技术

目前，随着全球化石能源的储量逐渐短缺以及化石能源伴随的环境污染日益恶化，这就使得人们研究清洁能源技术中先进的能量转换和存储系统变得尤为重要。各种绿色能源技术中，锌空气电池(ZABs)因其高能量密度、高稳定性、环境友好、资源丰富和低成本而被认为是最具应用前景的能量存储系统之一。但是由于其阴极反应的氧还原(ORR)的多步质子耦合电子转移速率缓慢，严重限制了电池的性能提升，这极大地阻碍了锌-空气电池的发展，那么这就对相关的阴极电催化剂的设计提出了更高的要求。在当前的研究中，铂和铂基合金是公认的酸性和碱性电解液中活性最高的ORR催化剂，但其供应短缺和高昂的成本限制了电池的实际大规模应用。因此，开发一种成本大大降低、性能具有竞争力的新型电催化剂就变得迫在眉睫。

近年来，钯基纳米晶体(NCs)的发展为新型电催化剂提供了良好的设计策略，由于Pd与Pt在元素周期表的位置相邻，并且Pd具有与Pt类似的理化性质和电子结构，理论上的活性与Pt最为接近，另外地球上Pd的丰度是Pt的50倍，因此Pd基催化剂是最有潜力成为取代Pt基催化剂的氧还原催化剂，但由于单金属Pd的电子结构不利于ORR过程中有效的电子转移，因此很难设计出对ORR具有理想电催化性能的单金属Pd。同时Pd嗜氧，并且在碱性条件更为严重。因此对氧还原的反应中间物种吸附过强，难以脱附从而使得反应动力学缓慢。要解决这些缺点，必须优化Pd基纳米催化剂，赋予Pd基NCs一个可调控的电子结构，并提供氧还原的反应中间物种合适的吸附能。

发明内容

针对背景技术中提到的技术问题，本申请的实施例提出了一种基于钯镍合金纳米片电催化剂的可充放电锌空电池及其制备方法来解决以上的问题。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种基于钯镍合金纳米片电催化剂的可充放电锌空电池制备方法，包括如下步骤：

1)将乙酰丙酮钯、六水合氯化镍、抗坏血酸、氯化铁、溴化钾、聚乙烯吡咯烷酮-58000和N,N-二甲基甲酰胺混合均匀，在室温搅拌50～70min，然后加入六羰基钼，接着在75～85℃的油浴中反应2.5～3.5h，然后将油浴温度升高至145～155℃并反应2.5～3.5h，反应完成取出，自然冷却至室温，用乙醇-水洗涤数次，离心收集得到钯镍合金纳米片保存于乙醇中，浓度为1mg/mL_Pd；

2)将步骤1制备的钯镍合金纳米片以15～25％wt_Pd的载量负载在活性炭上制得钯镍合金纳米片催化剂；

3)取0.5～1.5mg的钯镍合金纳米片催化剂滴涂在0.5～1.5cm²碳纸上，待钯镍合金纳米片催化剂干燥后，然后将涂有钯镍合金纳米片催化剂的碳纸、泡沫镍和防水透气膜通过压片制备锌空电池阴极电极，以锌板作为锌空电池阳极电极，将锌空电池阴极电极、锌空电池阳极电极和电解液组装成锌空电池。

作为优选，步骤1中，将乙酰丙酮钯、六水合氯化镍、抗坏血酸、氯化铁、溴化钾、聚乙烯吡咯烷酮-58000和N,N-二甲基甲酰胺混合均匀，在室温搅拌60min，然后加入六羰基钼，接着在80℃的油浴中反应3h，然后将油浴温度升高至150℃并反应3h。