電催化劑及其制備方法
【專利摘要】一種電催化劑及其制備方法。該電催化劑包括：一碳素導(dǎo)電材料、一LaNiO3催化劑以及一MnO2催化劑，所述LaNiO3催化劑以及MnO2催化劑的大小為納米級或微米級，所述LaNiO3催化劑以及MnO2催化劑吸附在所述碳素導(dǎo)電材料的表面。該電催化劑的制備方法包括以下步驟：提供一LaNiO3催化劑、一MnO2催化劑、一碳素導(dǎo)電材料以及一溶劑，所述LaNiO3催化劑以及MnO2催化劑的大小為納米級或微米級；將所述碳素導(dǎo)電材料加入所述溶劑中并分散，形成一第一混合溶液；將所述LaNiO3催化劑以及MnO2催化劑分別加入所述第一混合溶液中并分散，形成一第二混合溶液；以及去除該第二混合溶液中的溶劑，獲得所述電催化劑。
【專利說明】電催化劑及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電催化劑及其制備方法，尤其涉及一種用于金屬-空氣電池中的空氣電極的電催化劑及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，鋰離子電池、鉛酸電池等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中，但是這些電池系統(tǒng)仍然存在諸多難以克服的缺點(diǎn)，例如，鋰離子電池因使用有機(jī)電解質(zhì)溶液而具有易燃易爆的潛在危險，鉛酸電池存在重金屬污染的問題等。針對上述問題，人們正在努力開發(fā)新體系的電池系統(tǒng)。例如，甲醇-氫氣燃料電池，鎳-氫電池，金屬-空氣燃料電池等。金屬-空氣燃料電池具有能量密度高、充放電循環(huán)壽命長、工作電壓平穩(wěn)、容量大、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全環(huán)保等特點(diǎn)，將成為純電動汽車動力電源的首選技術(shù)方案。但大多數(shù)金屬-空氣燃料電池的氧氣析出反應(yīng)(oxygen evolution reaction, 0ER)和氧氣還原反應(yīng)(oxygen reductionreaction, ORR )的動力學(xué)過程緩慢,過電勢高,循環(huán)性能較差而一直制約著金屬-空氣燃料電池的整體性能，已然成為重大技術(shù)難題。
[0003]貴金屬鉬、銥及其氧化物等具有很好的催化性能，但是，因價格昂貴而無法商品化應(yīng)用。因此，開發(fā)能夠同時催化ORR和OER過程、循環(huán)壽命長、價格低廉、催化性能好、制備工藝簡單的電催化劑對于發(fā)展金屬-空氣電池具有十分重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，確有必要提供一種價格低廉、催化性能好、制備工藝簡單的可用于金屬-空氣電池中的空氣電極的電催化劑。
[0005]—種電催化劑，其包括:一碳素導(dǎo)電材料、一 LaNiO3催化劑以及一 MnO2催化劑,所述LaNiO3催化劑以及MnO2催化劑的大小為納米級或微米級,所述LaNiO3催化劑以及MnO2催化劑吸附在所述碳素導(dǎo)電材料的表面。
[0006]一種電催化劑的制備方法，包括以下步驟:提供一 LaNiO3催化劑、一 MnO2催化劑、一碳素導(dǎo)電材料以及一溶劑，所述LaNiO3催化劑以及MnO2催化劑的大小為納米級或微米級；將所述碳素導(dǎo)電材料加入所述溶劑中并分散，形成一第一混合溶液；將所述LaNiOJt化劑以及MnO2催化劑分別加入所述第一混合溶液中并分散，形成一第二混合溶液；以及去除該第二混合溶液中的溶劑，獲得所述電催化劑。
[0007]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的電催化劑中LaNiO3催化劑和MnO2催化劑具有良好的協(xié)同作用，該電催化劑的ORR和OER性能較好，進(jìn)而可以使采用本發(fā)明提供的電催化劑的金屬-空氣電池同時實(shí)現(xiàn)OER和ORR過程，且具有較平穩(wěn)的電動勢、較好的循環(huán)能力，以及較低的動力學(xué)反應(yīng)過電勢；LaNi03催化劑和MnO2催化劑的催化活性較高，將LaNiO3催化劑和MnO2催化劑吸附在碳素導(dǎo)電材料表面，當(dāng)該電催化劑用于金屬-空氣電極的正極時，可以提高氧氣與正極的接觸面積，有助于提高電池的催化效率以及OER和ORR的動力學(xué)過程；LaNiO3催化劑和MnO2催化劑成本較低，有利于降低金屬-空氣電池的生產(chǎn)成本；本發(fā)明的電催化劑采用簡單的溶液超聲分散方法將LaNiO3催化劑和MnO2催化劑負(fù)載于碳素導(dǎo)電材料的表面，制備工藝簡單，容易進(jìn)行工業(yè)規(guī)模放大。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1-3提供的電催化劑的制備方法流程圖。
[0009]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1提供的電催化劑的掃描電鏡照片。
[0010]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1提供的電催化劑與LaNiO3催化劑以及a -MnO2催化劑的線性掃描伏安曲線對比圖。
[0011]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1-3提供的電催化劑的循環(huán)伏安曲線。
[0012]圖5是空氣電極采用本發(fā)明實(shí)施例1提供的電催化劑的鋅-空氣電池中開路電壓-時間曲線。
[0013]圖6是空氣電極采用本發(fā)明實(shí)施例1提供的電催化劑的鋅-空氣電池的極化曲線。
[0014]圖7是空氣電極采用本發(fā)明實(shí)施例1提供的電催化劑的鋅-空氣電池的充電/放電循環(huán)特性曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明電催化劑及其制備方法。
[0016]請參閱圖1，本發(fā)明實(shí)施例提供一種電催化劑的制備方法，其包括以下步驟:
S1:提供一 LaNiO3催化劑、一MnO2催化劑、一碳素導(dǎo)電材料以及一溶劑，所述LaNiO3催化劑以及MnO2催化劑的大小為納米級或微米級；
S2:將所述碳素導(dǎo)電材料加入所述溶劑中并分散，形成一第一混合溶液；
S3:將所述LaNiO3催化劑以及MnO2催化劑分別加入所述第一混合溶液中并分散，形成一第二混合溶液；
S4:去除該第二混合溶液中的溶劑，獲得所述電催化劑。
[0017]步驟SI中，所述LaNiO3催化劑的形狀不限。優(yōu)選的，所述LaNiO3催化劑為球形顆粒。所述LaNiO3催化劑的大小為納米級或微米級。優(yōu)選的，所述LaNiO3催化劑的大小為3納米到2微米。所述LaNiO3催化劑的制備方法不限，具體地，可采用以下方法制備:將硝酸鑭、硝酸鎳、檸檬酸溶于去離子水中，在70°C?90°C下進(jìn)行攪拌使水分揮發(fā)，然后在7000C、00°C環(huán)境中煅燒，自然冷卻至室溫后研磨成LaNiOJt化劑。所述硝酸鑭、硝酸鎳、檸檬酸的摩爾濃度比為1:1:2?？梢岳斫?，制備LaNiO3催化劑的原料并不限于以上幾種，也可為其他種類的鑭鹽、鎳鹽以及有機(jī)酸。例如，La及Ni的硫酸鹽、鹽酸鹽、醋酸鹽以及醋酸等。所述攪拌過程可以在水浴環(huán)境中進(jìn)行，且攪拌時間不限，只要能保證水分完全揮發(fā)即可。所述煅燒有利于避免LaNiO3催化劑中雜相的產(chǎn)生以及使LaNiO3催化劑完全干燥，進(jìn)而得到純相的LaNiOJt化劑。所述煅燒的溫度可以設(shè)定為:由室溫升溫至700°C -900°C，升溫速率可以為8-10°C /min,到達(dá)設(shè)定溫度后保溫4_7小時。所述研磨過程可以得到納米級或微米級的LaNiOdS化劑。所述研磨可以采用鄂破、球磨、氣流粉碎等研磨方法。
[0018]所述MnO2催化劑的形狀不限。優(yōu)選的，所述MnO2催化劑為針狀的a -MnO2顆粒，由于C1-MnO2催化劑的晶格缺陷較大，更有利于催化氧氣還原反應(yīng)。所述MnO2催化劑的大小為納米級或微米級。優(yōu)選的，所述MnO2催化劑的大小為2納米到50納米。所述MnO2催化劑的制備方法不限，具體地，可采用以下方法制備:將硫酸錳、硫酸銨、過硫酸銨溶于去離子水中，在密閉環(huán)境中100°C~14(TC溫度下反應(yīng)10 h~12h，取出后用去離子水沖洗以除去未反應(yīng)的錳鹽、銨鹽等雜質(zhì)，并在70°C~90°C溫度下干燥后，研磨成納米或微米級的MnO2催化劑。所述硫酸錳、過硫酸銨及硫酸銨的摩爾比為1:1:2?？梢岳斫猓苽銶nO2催化劑的原料并不限于以上幾種，也可為其他錳鹽、銨鹽。例如，錳及銨的鹽酸鹽、硝酸鹽以及醋酸鹽等。優(yōu)選的，所述在密閉環(huán)境中的反應(yīng)溫度為120°C，反應(yīng)時間為12h。所述密閉環(huán)境可以為水熱反應(yīng)釜。
[0019]本發(fā)明的碳素導(dǎo)電材料是指以碳元素為主的非金屬固體材料。所述碳素導(dǎo)電材料具有高比表面積并且導(dǎo)通電子能力較好。所述導(dǎo)電材料的大小優(yōu)選為5納米到30納米之間。優(yōu)選的，所述碳素導(dǎo)電材料包括碳納米管、摻氮的碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯、摻氮的石墨烯、摻氮的氧化石墨烯以及碳纖維中的一種或兩種以上的組合。
[0020]所述溶劑可為有機(jī)溶劑或無機(jī)溶劑，具體地，所述溶劑為水、乙醇、丙酮、異丙醇及丙醇中的一種或多種。優(yōu)選的，所述溶劑為一種易揮發(fā)的溶劑。所述易揮發(fā)的溶劑為一醇水混合溶液，該醇水混合溶液中醇和水的體積比不限。優(yōu)選的，該體積比為1:1。更優(yōu)選的，所述易揮發(fā)的溶劑為體積比為1:1乙醇和水混合溶液，或者體積比為1:1異丙醇和水混合溶液。
[0021]步驟S2中，可以使用超聲分散法使所述碳素導(dǎo)電材料均勻分散在所述溶劑中。優(yōu)選的，Ig碳素導(dǎo)電材料使用35mL溶劑進(jìn)行分散。
[0022]步驟S3中，所述LaNiOdt化劑與胞02催化劑重量比的范圍是1:5~5:1，且所述LaNiO3催化劑與所述MnO2催化劑的重量和與所述碳素導(dǎo)電材料的重量比的范圍為1:10-10:1。可以將所述LaNiO3催化劑與所述MnO2催化劑同時或分別加入到所述第一混合溶液中并分散，使部分所述LaNiO3催化劑與部分所述MnO2催化劑之間相互復(fù)合。優(yōu)選的，在持續(xù)超聲分散過程中，將所述`LaNiO3催化劑與所述MnO2催化劑依次加入所述第一混合溶液中形成一第二混合溶液，分別加入所述LaNiO3催化劑與所述MnO2催化劑后，分別進(jìn)行至少30min的超聲分散，使所述LaNiO3催化劑與所述MnO2催化劑更好的分散，防止所述LaNiO3催化劑與所述MnO2催化劑團(tuán)聚。所述LaNiO3催化劑與所述MnO2催化劑的加入順序不限。更優(yōu)選的，在持續(xù)超聲分散過程中，首先將LaNiO3催化劑加入到第一混合溶液中，超聲分散至少30min后，再加入MnO2催化劑，超聲分散至少30min。由于LaNiO3催化劑相對較大，首先讓LaNiO3催化劑吸附于碳素導(dǎo)電材料表面上，所述碳素導(dǎo)電材料表面上大部分的LaNiO3催化劑之間存在間隙，當(dāng)然，也有小部分LaNiO3催化劑之間相互緊密接觸，然后讓相對較小的MnO2催化劑吸附到碳素導(dǎo)電材料表面，該MnO2催化劑可以吸附于LaNiO3催化劑之間的碳素導(dǎo)電材料表面上，并與部分所述LaNiO3催化劑相互復(fù)合，且部分所述LaNiO3催化劑與部分所述MnO2催化劑交替吸附于碳素導(dǎo)電材料的表面，更有利于LaNiO3催化劑與MnO2催化劑之間的協(xié)同作用。
[0023]步驟S4中，去除溶劑的方法不限，可以采用加熱的方法去除溶劑。其步驟可以包括以下步驟:將所述第二混合溶液在攪拌條件下，溫度80°C ~90°C范圍內(nèi)加熱I飛h，形成一漿料；以及，將所述漿料在溫度為80°C ~100°C條件下干燥Ih~12h。
[0024]所述電催化劑包括一碳素導(dǎo)電材料、一 LaNiO3催化劑以及一 MnO2催化劑，所述LaNiO3催化劑以及MnO2催化劑的大小為納米級或微米級，所述LaNiO3催化劑以及MnO2催化劑吸附在所述碳素導(dǎo)電材料的表面，且部分所述LaNiO3催化劑以及部分所述MnO2催化劑之間相互復(fù)合，更有利于LaNiO3催化劑與MnO2催化劑之間的協(xié)同作用。優(yōu)選的，所述LaNiO3催化劑和所述MnO2催化劑重量比的范圍是1:5飛:1，所述LaNiO3催化劑和所述MnO2催化劑的重量和與所述碳素導(dǎo)電材料的重量比的范圍為1:10-10:1，所述LaNiO3催化劑以及MnO2催化劑的表面積之和與所述碳素導(dǎo)電材料表面積之比用百分?jǐn)?shù)表示優(yōu)選為1%~20%。所述LaNiO3催化劑的形狀不限。優(yōu)選的，所述LaNiO3催化劑為球形顆粒。所述LaNiO3催化劑的大小為納米級或微米級。優(yōu)選的，所述LaNiOJt化劑的大小為3納米到2微米。所述LaNiO3催化劑主要起催化氧氣析出反應(yīng)的作用。所述MnO2催化劑的形狀不限。優(yōu)選的，所述MnO2催化劑為針狀的a -MnO2顆粒，由于a -MnO2催化劑的晶格缺陷較大，更有利于催化氧氣還原反應(yīng)。所述MnO2催化劑的大小為納米級或微米級。優(yōu)選的,所述MnO2催化劑的大小為2納米-50納米。所述MnO2催化劑主要起催化氧氣還原反應(yīng)的作用。所述碳素導(dǎo)電材料具有高比表面積并且導(dǎo)通電子能力較好。所述碳素導(dǎo)電材料的大小優(yōu)選為5納米到30納米之間。優(yōu)選的，所述碳素導(dǎo)電材料包括碳納米管、摻氮的碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯、摻氮的石墨烯、摻氮的氧化石墨烯以及碳纖維中的一種或兩種以上的組合。
[0025]請參閱圖2，從圖中可以看出，碳納米管(CNT)表面上均勻吸附著球形LaNiO3納米顆粒和針狀a -MnO2納米顆粒。
[0026]實(shí)施例1:制備LaNiO3和a -MnO2的重量比為1:1的電催化劑
分別稱量 0.005mol La (NO3) 3 6H20，0.005molNi (NO3)2 6H20 以及 0.01mol 檸檬酸，并將其溶于4mL去離子水中，在90°C水浴中攪拌至水分完全揮發(fā)，然后轉(zhuǎn)移至馬弗爐中進(jìn)行煅燒，以10°C /min的升溫速率升溫至900°C，并在該溫度下煅燒6h，自然冷卻至室溫后，使用瑪瑙研缽進(jìn)行研磨得到球形LaNiO3顆粒；
分別稱量0.008mol MnSO4 H2O, 0.008mol過硫酸銨，以及0.016mol硫酸銨，并將其溶解于50ml去離子水中，超聲分散40min，然后轉(zhuǎn)移至IOOmL的水熱反應(yīng)釜中，在120°C反應(yīng)12h，取出用去離子水進(jìn)行沖洗后，置于烘箱中90°C干燥12h，自然冷卻至室溫后，使用瑪瑙研缽進(jìn)行研磨，得到針狀a -MnO2顆粒；
將0.3g碳納米管(CNT)在IOmL乙醇和水(體積比1:1)的混合溶液中超聲分散30min，在持續(xù)超聲分散過程中，加入0.2g球形LaNiO3顆粒，超聲分散30 min后，加入0.2g針狀a -MnO2顆粒，超聲分散30 min，然后以5°C /min的升溫速率將所述混合溶液升溫至90°C，并保溫2h得到一漿料，將所述漿料置于烘箱中在90°C溫度下干燥12h，得到干燥的LaNiO3和a -MnO2的重量比為1:1的電催化劑。
[0027]實(shí)施例2:制備LaNiO3和a -MnO2的重量比為1:5的電催化劑
球形LaNiO3顆粒和針狀a -MnO2顆粒的制備方法與實(shí)施例1的相同，不同僅在于:
將0.9g碳納米管(CNT)在IOmL乙醇和水(體積比1:1)的混合溶液中超聲分散30min，在持續(xù)超聲分散過程中，加入0.2g球形LaNiO3顆粒，超聲分散30 min后，加入1.0g針狀a -MnO2顆粒，超聲分散30 min，然后以5°C /min的升溫速率將所述混合溶液升溫至90°C，并保溫2h得到一漿料，將所述漿料置于烘箱中在90°C溫度下干燥12h，得到干燥的LaNiO3和a -MnO2的重量比為1:5的電催化劑。
[0028]實(shí)施例3:制備LaNiO3和a -MnO2的重量比為5:1的電催化劑 球形LaNiO3顆粒和針狀a -MnO2顆粒的制備方法與實(shí)施例1的相同，不同僅在于:
將0.9g碳納米管(CNT)在IOmL乙醇和水(體積比1:1)的混合溶液中超聲分散30min，在持續(xù)超聲分散過程中，加入1.0g球形LaNiO3顆粒，超聲分散30min后，加入0.2g針狀a -MnO2顆粒，超聲分散30 min，然后以5°C /min的升溫速率將所述混合溶液升溫至90°C，并保溫2h得到一漿料，將所述漿料置于烘箱中在90°C溫度下干燥12h，得到干燥的LaNiO3和a -MnO2的重量比為5:1的電催化劑。
[0029]請參閱圖3，圖3是本發(fā)明實(shí)施例1提供的電催化劑與LaNiO3催化劑以及a-MnOdt化劑的線性掃描伏安曲線對比圖。從圖中可以看出，在相同的電壓下，與a -MnO2催化劑以及LaNiO3催化劑相比，a -MnO2催化劑和LaNiO3催化劑同時作用時，電催化劑的電流密度顯著提高。說明本發(fā)明實(shí)施例1提供的電催化劑中O-MnO2催化劑和LaNiOJt化劑具有很好的協(xié)同作用。原因是過渡金屬中心原子Mn和Ni的
?軌道與氧氣分子中的Π或者Π *軌道相互作用，從而有利于氧氣氧化還原反應(yīng)的發(fā)生。
[0030]請參閱圖4，圖4是本發(fā)明實(shí)施例1-3提供的電催化劑的循環(huán)伏安曲線。從圖中可以看出，當(dāng)電壓值為0.7V左右時，三種比例的電催化劑正向電流密度迅速增大，說明電催化劑的OER催化活性較好；當(dāng)電壓為-0.27V時，反向電流密度增大，說明電催化劑的ORR活性較好。表明當(dāng)LaNiO3和a -MnO2的重量比在1:5飛:I之間時，本發(fā)明實(shí)施例1_3提供的電催化劑的ORR和OER性能較好。
[0031]本發(fā)明實(shí)施例制備的電催化劑可用于金屬-空氣電池中的空氣電極，即正極電極。該空氣電極包括一集流體以及分別涂敷在集流體兩側(cè)的催化層和分散層。該集流體可以是鎳網(wǎng)、鈦網(wǎng)或泡沫鎳等。該催化層是將上述電催化劑與Nafion乳液(全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物在水中形成的乳液)或者PTFE (聚四氟乙烯)乳液按一定比例混合形成。優(yōu)選的，所述Nafion乳液或者PTFE乳液的重量分?jǐn)?shù)為60%。所述擴(kuò)散層是在碳紙一側(cè)涂覆PTFE乳液得到。
[0032]上述空氣電極可應(yīng)用于金屬-空氣電池中，該金屬-空氣電池包括一正極電極；一負(fù)極電極以及一電解液。所述正極電極包括上述空氣電極，所述負(fù)極電極為金屬，所述電解液可以為電解池中的任何電解液，所述正極電極以及負(fù)極電極的尺寸可以根據(jù)實(shí)際需要選擇。
[0033]采用本發(fā)明實(shí)施例1-3提供的電催化劑的制備空氣電極的方法包括以下步驟:將所述電催化層噴涂在鎳網(wǎng)的一側(cè)上，在80°C烘箱中干燥20min，在5?40MPa壓力下持續(xù)5?15min;然后在5?40MPa壓力下將擴(kuò)散層壓制在鎳網(wǎng)的另一側(cè)，得到所述空氣電極。
[0034]空氣電極采用本發(fā)明實(shí)施例1-3提供的電催化劑的鋅-空氣電池中，所述電解液為6M Κ0Η+0.4M ZnO溶液；所述負(fù)極電極采用幾何面積為7cm2的鋅片，所述負(fù)極電極浸入6M Κ0Η+0.4M ZnO溶液中；所述正極電極為上述空氣電極，所述空氣電極浸入6M Κ0Η+0.4MZnO溶液中，含電催化層的一側(cè)與所述6M K0H+0.4M ZnO溶液接觸，含擴(kuò)散層的一側(cè)與空氣接觸，該空氣電極的幾何面積為7cm2。
[0035]請參閱圖5，圖5是空氣電極采用本發(fā)明實(shí)施例1提供的電催化劑的鋅-空氣電池的開路電壓-時間曲線。從圖中可以看出，開路電壓在起始較短的時間內(nèi)從1.51伏下降至
1.43伏，之后電壓平臺長時間穩(wěn)定在1.43V左右。說明空氣電極采用本發(fā)明實(shí)施例1提供的電催化劑的鋅-空氣電池的電動勢比較平穩(wěn)。
[0036]請參閱圖6，圖6是空氣電極采用本發(fā)明實(shí)施例1提供的電催化劑的鋅-空氣電池的極化曲線。由于本發(fā)明實(shí)施例1提供的的電催化劑既能催化電池充電過程的氧氣析出反應(yīng)，又能催化放電過程的氧氣還原反應(yīng)，保證鋅-空氣電池既可以進(jìn)行充電，又能夠進(jìn)行放電。從圖中可以看出，隨著充電電流密度提高，電池充電電壓逐漸增加；隨著放電電流密度提高，電池放電電壓逐漸減小，符合可充電金屬-空氣電池的一般規(guī)律。當(dāng)放電電流密度為50 mAcnT2時,放電電壓仍然大于1.0V,表明空氣電極米用本發(fā)明實(shí)施例1提供的電催化劑的鋅-空氣電池的動力學(xué)反應(yīng)過電勢較低。
[0037]請參閱圖7，圖7是空氣電極采用本發(fā)明實(shí)施例1提供的電催化劑的鋅-空氣電池的充電/放電循環(huán)特性曲線。從圖中可以看出，電池在12 mA cm_2電流密度下，50個充電/放電循環(huán)的過程中，電池的電壓變化不大，說明本發(fā)明實(shí)施例1提供的電催化劑活性穩(wěn)定，催化劑活性衰減很小，空氣電極采用本發(fā)明實(shí)施例1提供的電催化劑的鋅-空氣電池的循環(huán)性能穩(wěn)定。
[0038]本發(fā)明實(shí)施例提供的電催化劑，由于LaNiO3催化劑和MnO2催化劑具有良好的協(xié)同作用，所以本發(fā)明實(shí)施例提供的電催化劑的ORR和OER性能較好，進(jìn)而可以使采用本發(fā)明實(shí)施例提供的電催化劑的金屬-空氣電池同時實(shí)現(xiàn)OER和ORR過程，且具有較平穩(wěn)的電動勢、較好的循環(huán)能力，以及較低的動力學(xué)反應(yīng)過電勢；由于碳納米管、摻氮的碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯、摻氮的石墨烯、摻氮的氧化石墨烯以及碳纖維等碳素導(dǎo)電材料具有高比表面積，LaNiO3催化劑和MnO2催化劑的催化活性較高，將LaNiO3催化劑和MnO2催化劑吸附在導(dǎo)電材料表面，當(dāng)該電催化劑用于金屬-空氣電極的正極時，可以提高氧氣與正極的接觸面積，有助于提高電池的催化效率以及OER和ORR的動力學(xué)過程；另外，LaNiO3催化劑和MnO2催化劑成本較低，且本發(fā)明的電催化劑采用簡單的溶液超聲分散方法將LaNiO3催化劑和MnO2催化劑負(fù)載于導(dǎo)電材料的表面，制備工藝簡單，容易進(jìn)行工業(yè)規(guī)模放大，對于發(fā)展可充電金屬-空氣電池具有重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)價值。
[0039]另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)作其它變化，當(dāng)然這些依據(jù)本發(fā)明精神所作的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種電催化劑,其包括:一碳素導(dǎo)電材料、一 LaNiO3催化劑以及一 MnO2催化劑,所述LaNiO3催化劑以及MnO2催化劑的大小為納米級或微米級,所述LaNiO3催化劑以及MnO2催化劑吸附在所述碳素導(dǎo)電材料的表面。
2.如權(quán)利要求1所述的電催化劑，其特征在于，所述碳素導(dǎo)電材料包括碳納米管、摻氮的碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯、摻氮的石墨烯、摻氮的氧化石墨烯以及碳纖維中的一種或兩種以上的組合。
3.如權(quán)利要求1所述的電催化劑，其特征在于，所述LaNiO3催化劑以及MnO2催化劑的表面積之和與所述碳素導(dǎo)電材料的表面積之比用百分?jǐn)?shù)表示為1%~20%。
4.如權(quán)利要求1所述的電催化劑，其特征在于，所述LaNiO3催化劑與所述MnO2催化劑的重量比為1:5~5:1。
5.如權(quán)利要求1所述的電催化劑，其特征在于，所述LaNiO3催化劑以及MnO2催化劑的重量之和與所述碳素導(dǎo)電材料的重量比為1:10-10:1。
6.如權(quán)利要求1所述的電催化劑，其特征在于，所述LaNiO3催化劑的大小為3納米到2微米，所述MnO2催化劑的大小為2納米到50納米。
7.如權(quán)利要求1所述的電催化劑，其特征在于，部分所述LaNiO3催化劑與部分所述MnO2催化劑相互復(fù)合，吸附在所述碳素導(dǎo)電材料的表面。
8.如權(quán)利要求1所述的電催化劑，其特征在于，所述電催化劑可應(yīng)用于金屬-空氣電池的空氣電極中。
9.一種電催化劑的制備方法，包括以下步驟: 提供一 LaNiO3催化劑、一 MnO2催化劑、一碳素導(dǎo)電材料以及一溶劑,所述LaNiO3催化劑以及MnO2催化劑的大小為納米級或微米級； 將所述碳素導(dǎo)電材料加入所述溶劑中并分散，形成一第一混合溶液； 將所述LaNiO3催化劑以及MnO2催化劑分別加入所述第一混合溶液中并分散，形成一第二混合溶液；以及 去除該第二混合溶液中的溶劑，獲得所述電催化劑。
10.如權(quán)利要求9所述的電催化劑的制備方法，其特征在于，所述去除該第二混合溶液中的溶劑包括以下步驟: 將所述第二混合溶液在攪拌條件下，溫度80°C~90°C范圍內(nèi)加熱ltT5h，形成一漿料；以及 將所述漿料在溫度為80°C ~100°C條件下干燥f 12h。
【文檔編號】H01M4/90GK103682381SQ201310685985
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】王保國, 馬洪運(yùn), 范永生 申請人:清華大學(xué)