一種鋰空氣電池用陰極納米復(fù)合催化劑材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空氣電池材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種鋰空氣電池用陰極納米復(fù)合催化劑材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]能源是國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平提高的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，近年來，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，必然引起石油資源的枯竭，全球變暖和環(huán)境污染的加劇。新能源，環(huán)境技術(shù)及節(jié)能減排技術(shù)的綜合高效開發(fā)和利用已成為十分必要的課題，研究與開發(fā)高能量密度的電源體系和材料勢在必行，研發(fā)容量更高的、環(huán)保友好的、可持續(xù)的新一代電池體系成為世界各國的科學家的共同追求。金屬空氣電池原材料豐富、性價比高、性能穩(wěn)定，并且沒有污染，因此，被稱為“面向21世紀的綠色能源”。金屬空氣電池是以金屬作為陽極，空氣中的氧氣作為陰極活性物質(zhì)，堿性或中性水溶液作為電解液，空氣中的氧氣通過氣體擴散電極(陰極)到達氣-固-液三相界面與金屬發(fā)生反應(yīng)而放出電能。
[0003]鋰空氣電池是一種用鋰(單質(zhì)或合金)做陽極，以空氣中的氧氣(或純氧)作為陰極反應(yīng)物的電池。其理論比能量高達11140Wh/kg，是鎳氫電池和鋰離子電池體系能量密度的1-2個數(shù)量級，具有能量密度高、容易小型化和輕量化等優(yōu)點，正日益引起世界各國研究者的重視。其中催化劑材料是空氣電極的關(guān)鍵，決定著空氣電極電化學反應(yīng)的極化性質(zhì)，對電池的電位、工作電位有決定性的影響。
[0004]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]—種鋰空氣電池用陰極納米復(fù)合催化劑材料的制備方法，該方法包括如下步驟:
(1)將5?15%的納米稀土金屬氧化物，5?20%的納米貴金屬，25?50%的二氧化鈦，15?65%的二氧化硅于球磨機中，進行高能球磨，期間分多次加入總量為I?3%的液體石蠟，充分混合均勻后得到催化劑前體混合料，且混合時間不少于5 h;
(2)將上述混合料加入到N，N-二甲基甲酰胺中，濃度為I?5%，超聲分散3?5h后，得到分散均勻的催化劑前體N，N-二甲基甲酰胺溶液；
(3)將聚丙烯腈加入到N，N-二甲基甲酰胺和氯仿的復(fù)合溶劑中，在溫度T=60?80°C下攪拌溶解，制得濃度為8?12%的聚丙烯腈溶液；
(4)在攪拌條件下，將催化劑前體N，N-二甲基甲酰胺溶液按1:(5?15 )的比例逐滴加入到聚丙烯腈溶液中，混合均勻靜置脫泡后在靜電紡絲裝置中制備出催化劑前體/聚丙烯腈復(fù)合納米纖維膜，靜電紡絲條件為紡絲電壓為15?30kV，溫度為25°C，相對濕度為40%，紡絲距離為15?25cm，噴絲頭紡絲溶液的流速為0.5?1.0mL/h;
(5)將制得聚丙烯腈復(fù)合納米纖維膜置于管式爐中，在惰性氣體氣氛保護下，由室溫以5?10°C/min的速率升溫至800?1000°C，在最高溫時保溫4_6h，然后隨爐冷卻即獲得鋰空氣電池用陰極納米復(fù)合催化劑材料。
[0006]上述方法中步驟(I)中所述的稀土金屬氧化物為氧化乾、氧化鑭、氧化鋪、氧化鎵中的一種或幾種。
[0007]上述方法中步驟(I)中所述的貴金屬為金、釕、銠、鈀、鋨、銥、鉑中的一種或幾種。
[0008]上述方法中步驟(3)中所述的N，N_二甲基甲酰胺和氯仿的質(zhì)量比為7:3?9:1。
[0009]本發(fā)明具有如下有益效果:(I)本發(fā)明加入稀土金屬氧化物，可達到與貴金屬催化劑相媲美的催化效果，從而有效減少貴金屬的量，降低了催化劑的成本；(2)本發(fā)明制備的極催化劑大大提高了電池的比容量，有效提高了電池的能量轉(zhuǎn)換效率和循環(huán)性能；(3)本發(fā)明制備方法工藝簡單，易于操作，重復(fù)性好，適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，具有極大的應(yīng)用價值。
[0010]
【具體實施方式】
[0011]實施例1
(1)將5%的納米氧化釔，5%的納米金粉，25%的二氧化鈦，65%的二氧化硅于球磨機中，進行高能球磨，期間分多次加入總量為1%的液體石蠟，充分混合均勻后得到催化劑前體混合料，且混合時間不少于5 h;
(2)將上述混合料加入到N，N-二甲基甲酰胺中，濃度為1%，超聲分散3?5h后，得到分散均勻的催化劑前體N，N-二甲基甲酰胺溶液；
(3)將聚丙烯腈加入到質(zhì)量比為7:3的N，N-二甲基甲酰胺和氯仿的復(fù)合溶劑中，在溫度T=60°C下攪拌溶解，制得濃度為8%的聚丙烯腈溶液；
(4)在攪拌條件下，將催化劑前體N，N-二甲基甲酰胺溶液按1:5的比例逐滴加入到聚丙烯腈溶液中，混合均勻靜置脫泡后在靜電紡絲裝置中制備出催化劑前體/聚丙烯腈復(fù)合納米纖維膜，靜電紡絲條件為::紡絲電壓為15kV，溫度為25°C，相對濕度為40%，紡絲距離為20cm，噴絲頭紡絲溶液的流速為0.5mL/h;
(5)將制得聚丙烯腈復(fù)合納米纖維膜置于管式爐中，在惰性氣體氣氛保護下，由室溫以5°C/min的速率升溫至800°C，在最高溫時保溫4h，然后隨爐冷卻即獲得鋰空氣電池用陰極納米復(fù)合催化劑材料。
[0012]實施例2
(1)將10%的納米氧化釔，5%的納米金粉，30%的二氧化鈦，55%的二氧化硅于球磨機中，進行高能球磨，期間分多次加入總量為1%的液體石蠟，充分混合均勻后得到催化劑前體混合料，且混合時間不少于5 h;
(2)將上述混合料加入到N，N-二甲基甲酰胺中，濃度為2%，超聲分散3?5h后，得到分散均勻的催化劑前體N，N-二甲基甲酰胺溶液；
(3)將聚丙烯腈加入到質(zhì)量比為7:3的N，N-二甲基甲酰胺和氯仿的復(fù)合溶劑中，在溫度T=60°C下攪拌溶解，制得濃度為8%的聚丙烯腈溶液；
(4)在攪拌條件下，將催化劑前體N，N-二甲基甲酰胺溶液按1:5的比例逐滴加入到聚丙烯腈溶液中，混合均勻靜置脫泡后在靜電紡絲裝置中制備出催化劑前體/聚丙烯腈復(fù)合納米纖維膜，靜電紡絲條件為::紡絲電壓為15kV，溫度為25°C，相對濕度為40%，紡絲距離為20cm，噴絲頭紡絲溶液的流速為0.5mL/h;
(5)將制得聚丙烯腈復(fù)合納米纖維膜置于管式爐中，在惰性氣體氣氛保護下，由室溫以5°C/min的速率升溫至800°C，在最高溫時保溫4h，然后隨爐冷卻即獲得鋰空氣電池用陰極納米復(fù)合催化劑材料。
[0013]實施例3
(1)將10%的納米氧化鈰，5%的納米釕粉，35%的二氧化鈦，50%的二氧化硅于球磨機中，進行高能球磨，期間分多次加入總量為1.5%的液體石蠟，充分混合均勻后得到催化劑前體混合料，且混合時間不少于5 h;
(2)將上述混合料加入到N，N-二甲基甲酰胺中，濃度為2%，超聲分散3?5h后，得到分散均勻的催化劑前體N，N-二甲基甲酰胺溶液；
(3)將聚丙烯腈加入到質(zhì)量比為7:3的N，N-二甲基甲酰胺和氯仿的復(fù)合溶劑中，在溫度T=60°C下攪拌溶解，制得濃度為8%的聚丙烯腈溶液；
(4)在攪拌條件下，將催化劑前體N，N-二甲基甲酰胺溶液按1:5的比例逐滴加入到聚丙烯腈溶液中，混合均勻靜置脫泡后在靜電紡絲裝置中制備出催化劑前體/聚丙烯腈復(fù)合納米纖維膜，靜電紡絲條件為::紡絲電壓為15kV，溫度為25°C，相對濕度為40%，紡絲距離為20cm，噴絲頭紡絲溶液的流速為0.5mL/h;<