[发明专利]一种双金属掺杂多级孔尖晶石及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及金属‑空气电池阴极双功能催化剂制备技术领域，具体为一种双金属掺杂多级孔尖晶石的制备方法及应用。本发明通过两步脱合金过程中溶出组元的“遗传效应”实现双金属共掺杂，可协同调控多级孔材料的电子结构，实现电化学反应中间体能级优化；另外，采用两步脱合金策略可在脱合金多孔材料基础上进一步构筑次生孔隙，形成梯度多级孔结构，不仅有利于改善电解液渗透，还可显著促进离子/电子扩散；且公开的脱合金法简单、易行、易于扩展。

技术领域

本发明涉及金属-空气电池阴极双功能催化剂制备技术领域，具体为一种双金属掺杂多级孔尖晶石的制备方法及应用。

背景技术

在全球能源危机和环境污染的双重压力下，发展可持续能源技术至关重要。可充电锌-空气电池以其高能量密度(1086Whkg^-1)和环境友好性引起了人们的广泛关注，但在充放电过程中阴极发生的析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)均涉及四电子转移过程，故存在动力学缓慢问题。目前，贵金属及其氧化物(如Pt、RuO₂、IrO₂等)是最有效的电催化剂，但成本高、储量低、易毒化，严重阻碍了相关器件的实际应用。因此，开发高效、廉价的双功能电催化剂对发展金属空气电池具有重要意义。

尖晶石型氧化物(通式为XY₂O₄，X代表二价阳离子，Y代表三价阳离子)是一种低成本、耐氧化、环保的催化剂材料，在碱性或氧化条件下非常稳定，然而电导率低下限制了其在电催化领域的进一步发展。为此，通常采用阳离子掺杂来优化尖晶石表面的电荷分布状态，促进电子在不同金属价态之间发生跃迁，进而调控其电子传导性和对反应中间体的吸/脱附能力。目前，掺杂型催化剂主要通过“自下而上”法制备，如水热/溶剂热法、共沉淀法、电沉积法等，但这些方法或多或少存在工艺成本高、合成速度慢等问题，导致很难实现大规模应用。

因此，如何提供一种工艺简单、廉价、易于扩展且性能优异的多级孔尖晶石的制备方法是本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在的不足之处，提供一种双金属掺杂多级孔尖晶石的制备方法。

需要说明的是，本发明采用两步脱合金策略依次溶出A元素和B元素，构筑梯度多级孔结构，可为电催化反应提供充足的传质通道，进而加快OER/ORR动力学过程；同时利用脱合金“遗传效应”获得A、B共掺杂，可协同优化主体材料的本征电子结构，进而降低反应能级。

且，脱合金法作为一种传统的“自上而下”法，仅需基于合金组元间存在的电势差，选择性溶出体系中活性较高的元素，而剩余惰性组元可通过扩散/重组自发形成具有可控多孔结构的电极材料。鉴于脱合金产物表面富含低配位原子和缺陷，将其作为催化剂有助于吸附和活化反应物/中间产物。可见，该方法不仅简单、廉价、易于扩展，还可根据前驱体合金组分、含量、脱合金化手段和后续处理方式精准调控多孔材料的孔径尺寸、孔道形态、韧带组成等，从而激发/诱导表面衍生出更多活性界面和位点。从动力学角度看，脱合金化产物具备连续贯通的多级孔结构，可为电化学反应提供良好的传质通道，进而加速电子传输速率、提高反应效率。从热力学角度看，基于脱合金产生的残余元素可能原位遗传并掺杂到多孔材料中，并改变其电子结构，进而调控电子传导性以及对反应中间体的能级优化，最终影响到电催化活性。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明第一技术目的是提供双金属掺杂多级孔尖晶石的制备方法，具体包括如下步骤：

步骤一、将金属A、金属B和过渡金属按照一定比例共同熔炼至液态，采用单辊急冷装置将合金液快速吹铸为AB基初始合金条带；

步骤二、将步骤一获得的初始合金条带首先置于碱性溶液中进行脱A处理，随后再置于弱酸性溶液中进行脱B处理，获得A、B共掺杂多级孔过渡金属前驱体；