CN105609790A - 一种镍钴/碳纳米管气凝胶锌空电池催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镍钴/碳纳米管气凝胶锌空电池催化剂的制备方法，用于锌空气电池领域。该催化剂采用海藻酸钠、六水合氯化钴、六水合氯化镍和碳纳米管为原料，成功的制备出锌空电池用的纳米镍钴/碳纳米管气凝胶双功能催化剂。该双功能催化剂表现出优异的析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)催化性能，其OER起始电位早，电流密度大；其ORR起始电位早、极限电流密度大，稳定性好；并且锌空电池测试长循环前后充电和放电电压差变化小，长循环后的能量效率高。本发明制备方法简单，操作快捷、绿色环保，且海藻酸钠来源丰富，所得双功能催化剂性能优异，是非常有前景的锌空电池催化剂。
Description
技术领域
本发明属于锌空电池领域，具体涉及一种纳米镍钴/碳纳米管气凝胶锌空电池催化剂的制备方法。。
背景技术
金属空气电池被认为一种新型的、无环境污染的能量转换装置，且其效能明显的高于传统的发电机，而且近年来锌空气电池展现出良好的应用前景。但是锌空气电池要达到真正的商业化应用还需要解决ORR和OER催化剂的成本及性能等问题。钌、铱和铂系催化剂是现金最常用的催化剂，但是其价格昂贵、稀缺、稳定性差等因素严重限制了锌空电池的应用和发展。因此，发展一种新型、来源广泛的锌空电池催化剂对于实现锌空电池的大规模应用是一个必须攻克的难关。
海藻酸钠，作为一种海洋生物质高分子，是从褐藻中提取出来的，资源丰富，是由β-D-甘露糖醛酸(简称M)和α-L-古罗糖醛酸(简称G)通过1-4糖苷键连接而成，二者的区别为C-5上羧基位置的不同，两种糖醛酸的结构式如式a所示。海藻酸盐独有一个特征是当遇到二价金属离子，如镍离子和钴离子，会形成凝胶，这种凝胶结构被描述为“蛋盒结构”，如式b所示，海藻酸钠的很多应用都是基于这种特殊的性质。
碳纳米管比表面积大、导电性能优良、化学性能稳定，且对催化剂颗粒具有很强的附着能力，这些优异的性能都利于锌空电池中的反应，因此，碳纳米管可以作为一个很好的碳载体。但是碳纳米管本身也存在很多缺点和不足，比如碳纳米管容易缠结，而气凝胶可以解决这些问题，因为气凝胶的三维结构能够有效的阻止碳纳米管的缠绕，从而维持其高比表面积和优异的性能，进而能够对锌空电池起到更好的催化作用。
发明内容
本发明利用来源丰富的海藻酸钠作为原料，制备了具有很高OER和ORR双功能的纳米镍钴/碳纳米管气凝胶。
本发明制备过程简单，不需要昂贵设备，所得产品质量高性能好，在将来锌空电池的大规模应用中具有光明的前景。
一种纳米镍钴/碳纳米管气凝胶锌空电池催化剂的制备方法，制作过程包括以下步骤：
1)用二次去离子水配制1～3wt％的海藻酸钠溶液，搅拌4～6小时，得到混合均匀的海藻酸钠溶液；
2)向上述海藻酸钠溶液中加入碳纳米管(海藻酸钠和碳纳米管质量比约为25∶1～2∶1)，搅拌4～6小时，得到海藻酸钠和碳纳米管混合均匀的混合液；
3)配制质量分数是5wt％的镍钴混合溶液，氯化镍和氯化钴的混合二次去离子水溶液(海藻酸钠和氯化镍/氯化钴质量比为1∶5)，搅拌使其充分溶解，其中镍和钴离子摩尔比为1∶1或1∶2。
4)将海藻酸钠和碳纳米管的混合液滴入上述氯化镍和氯化钴混合溶液中形成凝胶，滴入完成后，静置2小时；
5)将上述凝胶分离出来，并用二次去离子水震荡清洗多次，直至清洗液中无游离态镍和钴离子的存在，清洗完成后，将其放入冷冻干燥机中冷冻干燥12小时形成气凝胶；
6)将上述气凝胶放入管式炉中煅烧，在氨气气氛中700℃煅烧1～2小时，再在空气中400℃氧化1～2小时得到最终产物纳米镍钴/碳纳米管气凝胶锌空电池催化剂；
7)用电化学工作站及旋转圆盘电极测试上述产物的OER和ORR性能，用蓝电测试产物的锌空电池性能。
本发明具有以下优点：
本发明使用的原料主要是海藻酸钠，海藻酸钠是从海藻中提取出来的，来源广泛、环保绿色、安全性高。
本发明方法制备的纳米镍钴/碳纳米管气凝胶，具有很高的析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)性能，其在1MKOH电解质中OER起始电位(1.43VvsRHE)比商业的Ir/C(1.485VvsRHE)早，电流密度达到10mA/cm2所对应的电压是1.465V比Ir/C1.554V早。
其ORR起波电势(0.89VvsRHE)、极限电流密度(-4.88mA/cm2)，稳定性方面21600s后电流密度减小＜9％比商业Pt/C(电流密度减小＞20％)稳定。
并且锌空电池测试中电流速率5A/g时充电和放电电压分别是～1.95和～1.20V充电和放电的电压差是0.75V，循环70圈后的充电和放电电压分别是～1.94和～1.14V充电和放电的电压差是0.8V，长循环后的能量效率是58.5％。
本发明方法制备的纳米镍钴/碳纳米管气凝胶可大量合成，不需要昂贵设备，可广泛用于锌空电池中。
附图说明
图1是具体实施例1、2得到的纳米镍钴/碳纳米管气凝胶XRD和TEM图。
图2是具体实施例1、2得到纳米镍钴/碳纳米管气凝胶的催化性能表征
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例一
0.404g海藻酸钠溶于40g二次去离子水溶液中，搅拌6小时，得到混合均匀的1wt％的海藻酸钠溶液，记为溶液1。将0.0161g碳纳米管混入上述配制的海藻酸钠溶液中，搅拌6小时，得到海藻酸钠碳纳米管的混合溶液，记为溶液2。将1.3g六水合氯化镍和1.3g六水合氯化钴溶于50g二次去离子水溶液中，得到氯化镍和氯化钴混合溶液，记为溶液3。将溶液2滴入氯化镍和氯化钴混合溶液中即溶液3中，形成海藻酸镍钴碳纳米管的水凝胶，滴入完成后，静置2小时。将上述得到的海藻酸镍钴碳纳米管凝胶分离出来，并用二次去离子水清洗，直至将溶液中无游离态镍和钴离子。将清洗后得到的海藻酸镍钴碳纳米管凝胶放入冷冻干燥机中冷冻干燥12小时，得到海藻酸镍钴碳纳米管气凝胶。将海藻酸镍钴碳纳米管气凝胶放入管式炉中进行碳化，在氨气气氛中700℃煅烧1小时；再在空气中400℃氧化1小时得到纳米镍/氧化镍/钴酸镍/碳纳米管气凝胶催化剂。将上述所得到的最终产物纳米镍/氧化镍/钴酸镍/碳纳米管气凝胶锌空电池催化剂利用电化学工作站、旋转圆盘电极和蓝电进行电化学和锌空电池测试。
实施例二
除了将0.1616g碳纳米管混入上述配制的海藻酸钠溶液中，搅拌6小时，得到海藻酸钠碳纳米管的混合溶液，记为溶液2。其余步骤均与实施例1完全相同。
Claims (7)
1.一种镍钴/碳纳米管气凝胶锌空电池催化剂的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
1)配制海藻酸钠二次去离子水溶液，将一定量的碳纳米管加入到该溶液中，并搅拌均匀，得到海藻酸钠碳纳米管的混合溶液；
2)将上述混合溶液滴入到氯化钴和氯化镍混合的二次去离子水溶液中，形成海藻酸镍钴/碳纳米管水凝胶，分离出来，用二次去离子水清洗直至无游离态镍离子和钴离子存在，然后将其放入冷冻干燥机中冷冻干燥得到海藻酸镍钴/碳纳米管气凝胶；
3)海藻酸镍钴/碳纳米管气凝胶在管式炉中经一定碳化和氧化工艺煅烧，得到纳米镍/氧化镍/钴酸镍/碳纳米管气凝胶双功能催化剂；
4)用电化学工作站、旋转圆盘电极、旋转环盘电极和蓝电测试上述产物的电化学和锌空电池性能。
2.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述海藻酸钠溶液的浓度为1～3wt％，其中海藻酸钠溶液浓度为1wt％时电化学性能最好。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述的搅拌时间为4～6h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述的海藻酸钠和碳纳米管的混合溶液中海藻酸钠和碳纳米管的质量比约为25∶1～2∶1。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述的海藻酸钠和氯化镍/氯化钴质量比为1∶5。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述的氯化镍和氯化钴混合二次去离子水溶液质量分数为5wt％，其中镍和钴离子摩尔比为1∶1或1∶2。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述的氮化工艺为在氨气氛围中700℃煅烧1～2小时；氧化工艺为在空气氛围中400℃煅烧1～2小时。
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