CN112993273A - 一种自支撑空气电极及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自支撑空气电极及其制备和应用，结构包括担载催化剂的三维碳毡催化层、集流体及防水透气的扩散层。由碳毡作为催化剂生长的三维多孔载体，直接浸泡在高锰酸钾与硝酸银的混合液中，通过水浴加热原位生长催化剂得到电极催化层。将得到的碳毡催化层、用于集流的镍网及防水透气的扩散层依次叠放冷压成膜，焙烧得到所需空气电极。本发明结构自支撑，制备的空气电极具有原始碳毡的优点，疏水且机械强度高，孔隙有序。本方法以碳毡作为三维载体担载催化剂，催化剂可大部分暴露于传质通道中作为电极反应场所，从而具有较高的利用率，且催化剂制备方法简单，可控性强，重复性好，易于大量制备，此电极可作为金属空气电池中的反应多孔电极。

Description

一种自支撑空气电极及其制备和应用
技术领域
本发明属于金属/空气燃料电池领域，具体的说特别涉及一种锌/空气电池用多孔阴极制备及应用。
背景技术
金属/空气电池以金属(Mg、Al、Zn等)和空气中的氧气为电化学活性物质，碱性或中性电解液作为电解质，是一种高比能、安全可靠、储备性好的化学电源。作为一种新型能量转换装置,在应急储备、特种通信和海洋装备电源领域具有很好的应用前景。比如锌空气电池被用于军用便携电源和助听器电源，铝空气电池作为电动车动力电源以及镁空气电池应用于应急储备电源。
金属/空气电池各组成部分中，空气阴极发生的氧还原反应相对于阳极金属氧化更难进行，不仅氧氧键能大很难断裂，阴极反应动力学过程缓慢，相同电流密度下过电势更大，而且氧气在水中的溶解度低在空气电极表面吸附困难，大电流密度下，传质损失严重，所以提高空气电极的性能，是目前金属/空气电池的重点研究方向。
空气电极按照催化层、集流体(镍网、泡沫镍等)、防水透气层的顺序叠层后在滚压机上冷压成型，焙烧后得到。传统的催化层制备由催化剂、憎水材料聚四氟乙烯(PTFE)和活性炭混合后经过辊压、干燥处理所得。防水透气层由聚四氟乙烯(PTFE)和乙炔黑混合后经过辊压、干燥处理所得。这其中，辊压制备的催化层，催化剂易被PTFE掩盖，利用率低，并且PTFE不导电，电子在完整PTFE疏水骨架的催化层中传输阻力大。同时辊压制备催化层，在电池工作时，电极材料腐蚀会导致催化剂损失以及电极气液扩散孔隙结构坍塌，传质损失增大影响电极性能。因此，传统辊压工艺制备的空气阴极性能差，不仅极化现象严重，大电流工作时的氧气传输阻力大，还存在催化剂利用率低寿命短的问题。
发明内容
本发明针对以上传统电极的不足，提供一种应用于金属/空气燃料电池的自支撑空气电极。
本发明采用以下具体方案来实现：
一种碳毡支撑体电极，于碳毡的表面和内部孔道表面原位生长有Ag和锰氧化物构成的电极催化剂材料，催化剂材料于形成过程原位地生长在碳纤维毡表面和内部孔道上，存在形式为5-10nm粒径的单质银颗粒，和相近粒径颗粒状及部分10nm左右粗细树枝状的无定型锰氧化物。
电极催化剂材料于碳毡上的载量为1-2mg/cm3，电极催化剂材料中锰氧化物为MnO2或Mn3O4中的一种或两种；电极催化剂材料中Ag和锰氧化物的质量比1:2-1:3。催化剂通过水浴加热硝酸银和高锰酸钾的混合溶液直接生长在碳纤维毡表面。
所述碳毡电极的制备方法，包括以下步骤：
碳毡预处理：碳毡依次分别使用丙酮、乙醇和去离子水作为洗涤剂超声清洗，每一种洗涤剂的洗涤时间20min以上，清除表面油脂、灰尘或者其他杂物；超声清洗后，用去离子水反复清洗碳毡直至清洗液为中性，放入60-105℃烘箱中干燥6h以上。
1)碳毡改性：将碳毡浸入5-10wt％KOH溶液中，干燥，N2气氛下，按500-600℃和900-950℃两段温度依次焙烧碱处理碳毡3-4h和2-4h；将得到的碳毡浸入65％～68％的浓硝酸中，用水浴加热预处理一定时间后取出并用水反复清洗直至清洗液为中性，干燥；
2)催化剂合成：将AgNO3和KMnO4分散在水中，搅拌均匀得到混合溶液，将改性后碳毡放入溶液中浸泡24h以上，加热反应后自然冷却取出碳毡，用去离子水反复清洗直至清洗液为中性，干燥，200-400℃N2气氛下焙烧4-5h。
步骤1)中预处理温度为70-80℃，预处理时间为4-6h。
步骤2)中AgNO3和KMnO4于混合溶液中按Ag和锰氧化物计的质量比为1:2-1:3，AgNO3的质量浓度3.5-5g/L。
步骤2)中浸泡时间优选为24-72h；加热反应温度为70-80℃，反应时间为30-60min。
述碳毡改性前需要进行碳毡预处理，过程为：碳毡依次分别使用丙酮、乙醇和去离子水作为洗涤剂超声清洗，每一种洗涤剂的洗涤时间20min以上，清除表面油脂、灰尘或者其他杂物；超声清洗后，用去离子水反复清洗碳毡直至清洗液为中性，干燥。
干燥为放入60-105℃烘箱中干燥6h以上。
所述自支撑空气阴极包括依次层叠的所述碳毡电极、镍网集流体及的防水透气的扩散层。按顺序叠层后在油压机上冷压成型，焙烧后即得所需电极。
所述碳毡电极作为阴极催化层在金属空气电池中应用。
本发明具有以下优点：
本发明采用碳毡作为催化层载体，利用碳毡自身机械强度高的优点，可避免电极工作时因材料腐蚀，结构坍塌对性能的影响；借助碳毡自身疏水的特点，催化层无需添加PTFE即可提供大量供电极反应的气液固三相反应界面，提高电极有效面积。经过KOH刻蚀热活化及浓硝酸改性后的碳毡，不仅具有刻蚀后明显增大的比表面积，还有浓硝酸活化碳毡纤维表面，更容易化剂生长。
Ag-MnxOy催化剂通过水浴加热原位生长在碳毡的碳纤维表面，可全部暴露参与电极反应，大大提高催化剂利用率减小损失；同时，催化剂合成方法简单，重复性好，易于大量制备。
附图说明
图1为单池性能IV曲线，一种采用本发明所述方法，使用担载催化剂碳毡做为催化层制备的空气电极应用于锌空电池的单池性能曲线，以及不同改性碳毡及未改性碳毡制备催化层电极的单池性能曲线。由图可以看出，采用本发明方法制备的空气电极单体电池性能较好，功率密度最高达160mW·cm-2。
具体实施方式
实施例1：
一种自支撑空气电极，包括三维碳毡催化层、镍网集流体及商用的防水透气的扩散层。
三维催化层采用商用SGL碳毡为载体，型号GFD 2.5，规格：体密度0.3g/cm3，厚度2.5mm，比表面积0.4m2/g。
碳毡预处理：将碳毡剪成3cm直径的圆，依次分别使用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，每一步时间20min，清除表面油脂、灰尘或者其他杂物。超声清洗后，用去离子水反复清洗碳毡直至清洗液为中性，放入105℃烘箱中干燥2h。
碳毡改性：将碳毡浸5wt％KOH溶液中4h，干燥。N2气氛分下，依次以600℃和900℃两段温度分别焙烧处理碳毡2h和4h。将得到的的碳毡浸入68％的浓硝酸中，用水浴加热至75℃，处理6h后取出并用蒸馏水反复清洗直至清洗液为中性，放入105℃烘箱中干燥2h。
催化剂合成：将0.16g AgNO3和0.36g KMnO4分散在100g水中，搅拌均匀得到混合溶液，将改性后碳毡放入溶液中浸泡24h后，80℃水浴加热30min，自然冷却取出碳毡，用去离子水反复清洗直至清洗液为中性，105℃烘箱中烘干，300℃N2气氛下焙烧4h。
电极催化剂材料含量在2mg/cm3碳毡，催化剂材料于形成过程原位地生长在碳纤维毡表面，表现为7nm粒径的单质银颗粒，和7nm粒径颗粒状及部分10nm粗细树枝状的无定形锰氧化物；
空气阴极制备：将上述负载催化剂的碳毡、集流体和外购的商用防水透气扩散层，按顺序叠层后在油压机上冷压成型，340℃焙烧后即得所需电极。
性能：将制备的空气电极与0.3mm厚锌片组装成锌空电池，电解液使用7mol/LNaOH溶液，测得电池性能与对比例1和对比例2进行对比如图1所示，在50mA/cm2电流密度下，实施例电极测得锌空电池电压为1.02V，并且功率密度明显提高最高达160mW·cm-2。
实施例2：
一种自支撑空气电极，包括三维碳毡催化层、镍网集流体及商用的防水透气的扩散层。
三维催化层采用商用SGL碳毡为载体，型号GFD 2.5，规格：体密度0.3g/cm3，厚度2.5mm，比表面积0.4m2/g。
碳毡预处理：将碳毡剪成3cm直径的圆，依次分别使用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，每一步时间20min，清除表面油脂、灰尘或者其他杂物。超声清洗后，用去离子水反复清洗碳毡直至清洗液为中性，放入105℃烘箱中干燥2h。
碳毡改性：将碳毡浸5wt％KOH溶液中4h，干燥。N2气氛分下，依次以600℃和900℃两段温度分别焙烧处理碳毡2h和4h。将得到的的碳毡浸入68％的浓硝酸中，用水浴加热至75℃，处理6h后取出并用蒸馏水反复清洗直至清洗液为中性，放入105℃烘箱中干燥2h。
催化剂合成：将0.16g AgNO3和0.36g KMnO4分散在100g水中，搅拌均匀得到混合溶液，将改性后碳毡放入溶液中浸泡24h后，80℃水浴加热30min，自然冷却取出碳毡，用去离子水反复清洗直至清洗液为中性，105℃烘箱中烘干，200℃N2气氛下焙烧4-5h。
电极催化剂材料含量在2mg/cm3碳毡，催化剂材料于形成过程原位地生长在碳纤维毡表面，与实施例1相比，表现为7nm粒径的颗粒多为的单质银颗粒，锰氧化物大多以8nm粗细树枝状的无定形状态存在。
空气阴极制备：将上述负载催化剂的碳毡、集流体和外购的商用防水透气扩散层，按顺序叠层后在油压机上冷压成型，340℃焙烧后即得所需电极。
实施例3：
一种自支撑空气电极，包括三维碳毡催化层、镍网集流体及商用的防水透气的扩散层。
三维催化层采用商用SGL碳毡为载体，型号GFD 2.5，规格：体密度0.3g/cm3，厚度2.5mm，比表面积0.4m2/g。
碳毡预处理：将碳毡剪成3cm直径的圆，依次分别使用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，每一步时间20min，清除表面油脂、灰尘或者其他杂物。超声清洗后，用去离子水反复清洗碳毡直至清洗液为中性，放入105℃烘箱中干燥2h。
碳毡改性：将碳毡浸5wt％KOH溶液中4h，干燥。N2气氛分下，依次以600℃和900℃两段温度分别焙烧处理碳毡2h和4h。将得到的的碳毡浸入68％的浓硝酸中，用水浴加热至75℃，处理6h后取出并用蒸馏水反复清洗直至清洗液为中性，放入105℃烘箱中干燥2h。
催化剂合成：将0.16g AgNO3和0.36g KMnO4分散在100g水中，搅拌均匀得到混合溶液，将改性后碳毡放入溶液中浸泡24h后，80℃水浴加热30min，自然冷却取出碳毡，用去离子水反复清洗直至清洗液为中性，105℃烘箱中烘干，400℃N2气氛下焙烧4-5h。
电极催化剂材料含量在2mg/cm3碳毡，催化剂材料于形成过程原位地生长在碳纤维毡表面，与实施例1.2相比，表现为7nm粒的单质银颗粒及锰氧化物颗粒，几乎无无定形的树枝状锰氧化物存在。
空气阴极制备：将上述负载催化剂的碳毡、集流体和外购的商用防水透气扩散层，按顺序叠层后在油压机上冷压成型，340℃焙烧后即得所需电极。
对比例1：(碳毡改性与实施例不同)
一种自支撑空气电极，包括三维碳毡催化层、镍网集流体及商用的防水透气的扩散层。
三维催化层采用商用SGL碳毡为载体，型号GFD 2.5，规格：体密度0.3g/cm3，厚度2.5mm，比表面积0.4m2/g。
碳毡预处理：将碳毡剪成3cm直径的圆，依次分别使用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，每一步时间20min，清除表面油脂、灰尘或者其他杂物。超声清洗后，用去离子水反复清洗碳毡直至清洗液为中性，放入105℃烘箱中干燥2h。
碳毡改性：将预处理过的碳毡浸入65％～68％的浓硝酸中，用水浴加热至75℃，处理6h后取出并用蒸馏水反复清洗直至清洗液为中性，放入105℃烘箱中干燥2h。
催化剂合成：将0.16g AgNO3和0.36g KMnO4分散在100g水中，搅拌均匀得到混合溶液，将改性后碳毡放入溶液中浸泡24h后，80℃水浴加热30min，自然冷却取出碳毡，用去离子水反复清洗直至清洗液为中性，105℃烘箱中烘干。
电极催化剂材料含量在2mg/cm3碳毡，催化剂材料于形成过程原位地生长在碳纤维毡表面，表现为低于10nm粒径的单质银颗粒，及树枝状和颗粒状结合的锰氧化物。
空气阴极制备：将上述负载催化剂的碳毡、集流体和外购的商用防水透气扩散层，按顺序叠层后在油压机上冷压成型，340℃焙烧后即得所需电极。
对比例2：(碳毡未改性)
一种自支撑空气电极，包括三维碳毡催化层、镍网集流体及商用的防水透气的扩散层。
三维催化层采用商用SGL碳毡为载体，型号GFD 2.5，规格：体密度0.3g/cm3，厚度2.5mm，比表面积0.4m2/g。
碳毡预处理：将碳毡剪成3cm直径的圆，依次分别使用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，每一步时间20min，清除表面油脂、灰尘或者其他杂物。超声清洗后，用去离子水反复清洗碳毡直至清洗液为中性，放入105℃烘箱中干燥2h。
催化剂合成：将0.16g AgNO3和0.36g KMnO4分散在100g水中，搅拌均匀得到混合溶液，将改性后碳毡放入溶液中浸泡24h后，80℃水浴加热30min，自然冷却取出碳毡，用去离子水反复清洗直至清洗液为中性，105℃烘箱中烘干。
电极催化剂材料含量在2mg/cm3碳毡，催化剂材料于形成过程原位地生长在碳纤维毡表面，表现为低于10nm粒径的单质银颗粒，及树枝状和颗粒状结合的锰氧化物。
空气阴极制备：将上述负载催化剂的碳毡、集流体和外购的商用防水透气扩散层，按顺序叠层后在油压机上冷压成型，340℃焙烧后即得所需电极。

Claims (10)

1.一种碳毡支撑体电极，其特征在于：于碳毡的表面和内部孔道表面原位生长有Ag和锰氧化物构成的电极催化剂材料，催化剂材料于形成过程原位地生长在碳纤维毡表面和内部孔道上，存在形式为5-10nm粒径的单质银颗粒、5-10nm粒径颗粒状和/或8-12nm直径树枝状的无定型锰氧化物。
2.按照权利要求1所述碳毡电极，其特征在于：电极催化剂材料于碳毡上的载量为1-2mg/cm3，电极催化剂材料中锰氧化物为MnO2或Mn3O4中的一种或两种；电极催化剂材料中Ag和锰氧化物的质量比1:2-1:3。
3.一种权利要求1或2所述碳毡电极的制备方法，其特征在于：
1)碳毡改性：将碳毡浸入5-10wt％KOH溶液中，干燥，N2气氛下，按500-600℃和900-950℃两段温度依次焙烧碱处理碳毡3-4h和2-4h；将得到的碳毡浸入65％～68％的浓硝酸中，用水浴加热预处理一定时间后取出并用水反复清洗直至清洗液为中性，干燥；
2)催化剂合成：将AgNO3和KMnO4分散在水中，搅拌均匀得到混合溶液，将改性后碳毡放入溶液中浸泡24h以上，加热反应后自然冷却取出碳毡，用去离子水反复清洗直至清洗液为中性，干燥，200-400℃N2气氛下焙烧4-5h。
4.按照权利要求3所述碳毡电极的制备方法，其特征在于：
步骤1)中预处理温度为70-80℃，预处理时间为4-6h。
5.按照权利要求3所述碳毡电极的制备方法，其特征在于：
步骤2)中AgNO3和KMnO4于混合溶液中按Ag和锰氧化物计的质量比为1:2-1:3，AgNO3的质量浓度3.5-5g/L。
6.按照权利要求3所述碳毡电极的制备方法，其特征在于：
步骤2)中浸泡时间优选为24-72h；加热反应温度为70-80℃，反应时间为30-60min。
7.按照权利要求3所述碳毡电极的制备方法，其特征在于：所述碳毡改性前需要进行碳毡预处理，过程为：碳毡依次分别使用丙酮、乙醇和去离子水作为洗涤剂超声清洗，每一种洗涤剂的洗涤时间20min以上，清除表面油脂、灰尘或者其他杂物；超声清洗后，用去离子水反复清洗碳毡直至清洗液为中性，干燥。
8.按照权利要求3或7所述碳毡电极的制备方法，其特征在于：干燥为放入60-105℃烘箱中干燥6h以上。
9.一种权利要求1或2所述碳毡电极作为阴极催化层在金属空气电池中应用。
10.按照权利要求9所述的应用，其特征在于：
自支撑空气阴极包括依次层叠的权利要求1或2所述碳毡电极、镍网集流体及的防水透气的扩散层。
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