CN109638290A - 一种酞氰钴陶瓷复合催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种酞氰钴陶瓷复合催化剂及其制备方法与应用。该复合催化剂由酞氰钴和陶瓷材料组成，其中陶瓷材料为氮掺杂石墨烯陶瓷材料。本发明提供了一种新型的复合催化剂，由于本发明使用的陶瓷材料具有高导电的性能，当SOCl2被吸附在复合催化剂上时，能加快电子转移速率，进而使得该复合催化剂在大电流放电条件下具有更高的比容量，能适应大电流放电。

Description

一种酞氰钴陶瓷复合催化剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及催化剂领域，尤其涉及一种酞氰钴陶瓷复合催化剂及其制备方法与应用。
背景技术
在Li/SOCl2电池中，液态的SOCl2既是电解液也是正极活性物质，因而具有很高的比能量，SOCl2吸附在多孔碳电极中发生还原反应2SOCl2+4e-→S+SO2+4Cl-，碳作为SOCl2的载体同时也是SOCl2还原的催化剂，但是SOCl2在固液界面的还原反应很慢，难以支持大电流放电，因而需要加入催化剂来提高SOCl2的还原反应速率。
酞氰钴是Li/SOCl2电池的经典催化剂，为了进一步提高酞氰钴的催化效率，将其与碳纳米管或石墨烯等复合形成复合催化剂，虽然该复合催化剂在一定程度上提高了SOCl2的还原反应速率，但仍然难以支持大电流放电。
因而，有必要提供一种催化效果更好的催化剂，以满足Li/SOCl2电池的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种酞氰钴陶瓷复合催化剂及其制备方法与应用。
本发明所采取的技术方案是：
本发明的目的之一在于提供一种酞氰钴陶瓷复合催化剂，所述催化剂由酞氰钴和陶瓷材料组成，其中陶瓷材料为氮掺杂石墨烯陶瓷材料。
优选地，上述催化剂中酞氰钴的质量百分数为1～20％。
优选地，上述催化剂中酞氰钴的质量百分数为2～6％。
优选地，上述氮掺杂石墨烯陶瓷材料中氮掺杂石墨烯的含量为0.1～5％。
更优选地，上述氮掺杂石墨烯陶瓷材料中氮掺杂石墨烯的含量为0.5～2％。
优选地，上述氮掺杂石墨烯中含有50％以上的石墨氮。
优选地，上述氮掺杂石墨烯陶瓷材料由以下方法制备得到：
a)将陶瓷坯料和氮掺杂石墨烯混合均匀，得混合物料；
b)将混合物料在1150℃烧制2h，得氮掺杂石墨烯陶瓷材料。
优选地，陶瓷坯料由以下质量份数原料组成：1～5份粘土、5～15份钠石粉、20～35份废瓷粉、2～8份滑石粒、35～55份钾砂、3～12份高铝砂、5～15份鸡山石粉、8～15份混合泥。
优选地，陶瓷坯料由以下质量份数原料组成：1～3份粘土、8～12份钠石粉、25～30份废瓷粉、2～5份滑石粒、35～40份钾砂、5～8份高铝砂、5～10份鸡山石粉、8～12份混合泥。
更优选地，陶瓷坯料由以下质量份数原料组成：2份粘土、9.5份钠石粉、26份废瓷粉、3.5份滑石粒、36份钾砂、7份高铝砂、8份鸡山石粉、9份混合泥。
上述氮掺杂石墨烯陶瓷材料具有高导电的特性，该陶瓷材料用作导电基底，其方块电阻低于0.15Ω/sq(欧姆/平方)。
优选地，氮掺杂石墨烯中含有80％的石墨氮。
优选地，氮掺杂石墨烯与陶瓷坯料的质量比为(0.001～0.05)：1。
优选地，氮掺杂石墨烯与陶瓷坯料的质量比为(0.005～0.02)：1。
更优选地，氮掺杂石墨烯与陶瓷坯料的质量比为0.02：1。
优选地，上述氮掺杂石墨烯材料的制备步骤如下：
1)将石墨烯或石墨烯衍生物与含氮化合物混合均匀，制成分散液，干燥，得混合物；
2)隔绝氧气，将混合物进行热处理，得氮掺杂石墨烯材料。
优选地，步骤1)中的石墨烯或石墨烯衍生物与含氮化合物的质量比为1：(0.1～5)。
优选地，步骤1)中的分散液中石墨烯或石墨烯衍生物的固含量为1～10mg/mL。
优选地，步骤1)中的石墨烯衍生物选自氧化石墨、氧化石墨烯中的至少一种。
优选地，步骤1)中的含氮化合物选自酞氰、尿素中的至少一种。
优选地，步骤2)的热处理温度为350～1200℃；更优选地，步骤2)的热处理温度为600～1000℃。
优选地，步骤2)中的热处理时间为0.5～6h；更优选地，步骤2)的热处理时间为1～3h。
本发明的另一目的在于提供上述复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将酞氰钴和陶瓷材料混合，得混合物；
2)隔绝氧气，将混合物进行煅烧，得酞氰钴陶瓷复合催化剂。
优选地，步骤1)中混合物的粒径≤100μm。
更优选地：步骤1)中混合物的粒径介于500nm～100μm。
优选地，步骤2)中煅烧的温度为300～500℃，煅烧时间为0.5～3h。
更优选地，步骤2)中煅烧的温度为350～450℃，煅烧时间为1～2h。
本发明还提供上述复合催化剂在锂离子电池、锂源电池、超级电容器中的应用。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种新型的复合催化剂，由于本发明使用的陶瓷材料具有高导电的性能，当SOCl2被吸附在复合催化剂上时，能加快电子转移速率，进而使得该复合催化剂在大电流放电条件下具有更高的比容量，能适应大电流放电。
具体实施方式
下面进一步列举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明阐述的原理做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适范围内的选择，而并非要限定于下文示例的具体数据。
实施例1
一种酞氰钴陶瓷复合催化剂，其由酞氰钴和高导电氮掺杂石墨烯陶瓷材料组成，其中，催化剂中酞氰钴的质量百分数为2％；
一种酞氰钴陶瓷复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将酞氰钴和陶瓷材料在高速球磨机中球磨混合，得粒径为100μm的混合物；
2)隔绝氧气，将混合物进行在温度为300℃下煅烧2h，得酞氰钴陶瓷复合催化剂。
实施例2
一种酞氰钴陶瓷复合催化剂，其由酞氰钴和高导电氮掺杂石墨烯陶瓷材料组成，其中，催化剂中酞氰钴的质量百分数为5％；
一种酞氰钴陶瓷复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将酞氰钴和陶瓷材料在高速球磨机中球磨混合，得粒径为10μm的混合物；
2)隔绝氧气，将混合物进行在温度为350℃下煅烧3h，得酞氰钴陶瓷复合催化剂。
实施例3
一种酞氰钴陶瓷复合催化剂，其由酞氰钴和高导电氮掺杂石墨烯陶瓷材料组成，其中，催化剂中酞氰钴的质量百分数为10％；
一种酞氰钴陶瓷复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将酞氰钴和陶瓷材料在高速球磨机中球磨混合，得粒径为0.5μm的混合物；
2)隔绝氧气，将混合物进行在温度为400℃下煅烧2.5h，得酞氰钴陶瓷复合催化剂。
实施例4
一种酞氰钴陶瓷复合催化剂，其由酞氰钴和高导电氮掺杂石墨烯陶瓷材料组成，其中，催化剂中酞氰钴的质量百分数为20％；
一种酞氰钴陶瓷复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将酞氰钴和陶瓷材料在高速球磨机中球磨混合，得粒径为0.5μm的混合物；
2)隔绝氧气，将混合物进行在温度为450℃下煅烧1h，得酞氰钴陶瓷复合催化剂。
性能测试：
将上述实施例1～4的复合催化剂添加至Li/SOCl2电池正极材料中，正极材料中含有3wt％的复合催化剂，制备Li/SOC2电池，以不添加任何催化剂的正极(对比例1)、添加3wt％的酞氰钴(对比例2)、添加3wt％的高导电氮掺杂石墨烯陶瓷材料(对比例3)的正极作为对照，将制作好的电池以25mA·cm-2的电流密度进行恒电流放电，截止电压为2V，于常温下测试，结果如下表1：
表1
由表1可知：本发明的复合催化剂在大电流的条件具有更高的放电比容量，单独添加酞氰钴或是高导电氮掺杂石墨烯没有复合催化剂的催化效果，这说明复合催化剂中的酞氰钴和高导电氮掺杂石墨烯具有协同作用。

Claims (10)

1.一种酞氰钴陶瓷复合催化剂，其特征在于：所述催化剂由酞氰钴和陶瓷材料组成，其中陶瓷材料为氮掺杂石墨烯陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于：所述催化剂中酞氰钴的质量百分数为1～20％。
3.根据权利要求2所述的催化剂，其特征在于：所述催化剂中酞氰钴的质量百分数为2～6％。
4.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于：所述氮掺杂石墨烯陶瓷材料中氮掺杂石墨烯的含量为0.1～5％。
5.根据权利要求4所述的催化剂，其特征在于：所述氮掺杂石墨烯中含有50％以上的石墨氮。
6.权利要求1～5任意一项所述的催化剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将酞氰钴和陶瓷材料混合，得混合物；
2)隔绝氧气，将混合物进行煅烧，得酞氰钴陶瓷复合催化剂。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中混合物的粒径≤100μm。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中混合物的粒径介于500nm～100μm。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中煅烧的温度为300～500℃，煅烧时间为0.5～3h。
10.权利要求1～5任意一项权利要求所述的复合催化剂或权利要求6～9任意一项权利要求制备得到的复合催化剂在锂离子电池、锂原电池、超级电容器中的应用。
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