CN114105143A - 一种具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶锌-空气电池阴极催化剂的制备方法 - Google Patents

一种具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶锌-空气电池阴极催化剂的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114105143A
CN114105143A CN202111409541.6A CN202111409541A CN114105143A CN 114105143 A CN114105143 A CN 114105143A CN 202111409541 A CN202111409541 A CN 202111409541A CN 114105143 A CN114105143 A CN 114105143A
Authority
CN
China
Prior art keywords
iron
chitosan
carbon aerogel
iron carbide
zinc
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
CN202111409541.6A
Other languages
English (en)
Inventor
王晓东
杨东江
张威
崔金峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qingdao Xusheng Dongyang New Material Co ltd
Original Assignee
Qingdao Xusheng Dongyang New Material Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qingdao Xusheng Dongyang New Material Co ltd filed Critical Qingdao Xusheng Dongyang New Material Co ltd
Priority to CN202111409541.6A priority Critical patent/CN114105143A/zh
Publication of CN114105143A publication Critical patent/CN114105143A/zh
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/90—Carbides
    • C01B32/914—Carbides of single elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/05—Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/03—Particle morphology depicted by an image obtained by SEM
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/80—Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40—Electric properties
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

本发明公开了一种具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶锌‑空气电池阴极催化剂的制备方法，属于金属空气电池领域。该碳气凝胶采用壳聚糖和铁***为原料，成功地制备出了锌‑空气电池的阴极催化剂。该碳气凝胶的具有丰富的缺陷结构和多级孔结构，此用作锌‑空气电池阴极催化剂时表现出优异的催化活性。传统的碳纳米材料在碱性电解液下的氧还原（ORR）活性相对于商业化Pt/C还不理想。因此，提升碳材料在碱性条件下的ORR催化性能，代替贵金属Pt基催化剂应用于锌‑空气电池中具有重要的意义。本发明中，壳聚糖来源丰富，所得具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶在碱性条件下ORR催化性能优异，是非常有前景的能量转换材料。

Description

一种具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶锌-空气电池阴极 催化剂的制备方法
技术领域
本发明属于金属空气电池领域，具体涉及一种具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶锌-空气电池阴极催化剂的制备方法。
背景技术
锌-空气电池的核心是催化剂。催化剂的关键指标是催化活性和稳定性，催化活性越高电流密度就越大，稳定性越好电池寿命就越长。目前大部分电催化剂的结构主要为贵金属纳米颗粒与碳材料相结合，常用的贵金属是铂。当前国内生产和科研上常用的是20wt% Pt/C系列催化剂。然而， Pt 价格高、储量低等问题严重阻碍了锌-空气电池的商业化进程。发展低成本、高性能的氧还原（ORR）催化剂是解决铂资源短缺、降低燃料电池成本、实现燃料电池商业化的关键。研究发现，铁基/碳材料在碱性电解液中对ORR过程具有一定的催化活性，有取代Pt的潜力。因此，提升铁基的碳材料在碱性条件下的ORR催化性能而应用于锌-空气电池中是一个重要课题。以壳聚糖和铁***分别作为碳源和铁源，利用壳聚糖通过氨基质子化溶解于乙酸水溶液中形成的正电荷与铁***溶液中的[Fe(CN)6]3-通过静电作用形成Fe-壳聚糖水凝胶，经过真空冷冻干燥和热解形成Fe3C/C气凝胶，再将其热处理去除部分碳原子形成具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶纳米材料。得到的纳米材料具有良好的导电性，结构有序，易于加工。不但解决了传统方法的工艺繁琐、成本高等问题，还提高了催化效率，减少了铂催化剂的使用量，改善了催化剂产品的稳定性和寿命。
发明内容
本发明利用来源丰富且可再生的壳聚糖作为原料，制备了可用作锌-空气电池阴极催化剂的具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶。
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-空气电池的大规模应用中具有光明的前景。
一种具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶锌-空气电池催化剂的制备方法，制作过程包括以下步骤：
1）配置200 mL质量分数0.3%的壳聚糖乙酸水溶液，将其滴入0.1 M铁***溶液中，缓慢搅拌后浸泡，得到铁-壳聚糖水凝胶；
2）利用冷冻干燥把铁-壳聚糖水凝胶制备成铁-壳聚糖气凝胶；
3）铁-壳聚糖气凝胶在管式炉中，在氩气氛围下，经过700 ℃煅烧1小时，得到碳化铁/碳气凝胶；
4）用浓度为3 M的盐酸水溶液把碳化铁/碳气凝胶中的氧化铁等纳米颗粒除掉得到碳化铁/碳气凝胶；
5）用电化学工作站及旋转圆盘电/极测试上述产物在0.1 M KOH电解液下的ORR催化活性；
6）将上述得到的碳化铁/碳气凝胶材料作为阴极催化剂材料组装一次锌空电池，并测试其电池性能。
本发明具有以下优点：
本发明使用的原料主要是节肢动物如虾、蟹、昆虫等外壳中提取的甲壳素经过脱乙酰处理得到的壳聚糖，原料来源广泛、环保绿色、安全性高，是一种巨大的可再生资源。
本发明方法制备的具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶，可用作性能优异的锌-空气电池阴极催化剂，具有较高催化活性和良好的稳定性。
本发明方法制备的具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶可大量合成，不需要昂贵设备，可广泛用于锌-空气电池中。
附图说明
图1是具体实施例1得到的碳化铁/多孔碳气凝胶的SEM图，明显可见具有明显的气凝胶大孔-介孔结构；
图2是具体实施例1得到具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶的XPS测试，催化剂主要由C、N、O、Fe元素组成，N元素主要以石墨氮和吡啶氮形式存在，O元素主要来自空气氧化。
图3是具体实施例1得到碳化铁/多孔碳气凝胶在碱性电解液下的ORR催化活性，在0.1 M KOH电解液下的半波电位为0.78 V；在0.1 M KOH电解液下的测试15个小时之后，其电池密度还能维持初始的97%；由其组装的一次锌空气电池的容量密度达到了150 mW cm-2。
图4是具体实施例2得到具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶在碱性电解液下的ORR催化活性，在0.1 M KOH电解液下的半波电位为0.84 V；在碱性电解液下的稳定性，在0.1 M KOH电解液下的测试15个小时之后，其电池密度还能维持初始的93%；由其组装的一次锌空气电池的容量密度达到了200 mW cm-2。
图5是具体实施例3得到具有缺陷结构的碳化铁/氮掺杂多孔碳气凝胶在碱性电解液下的ORR催化活性，在0.1 M KOH电解液下的半波电位为0.87 V；在碱性电解液下的稳定性，在0.1 M KOH电解液下的测试15个小时之后，其电池密度还能维持初始的95%由其组装的一次锌空气电池的容量密度达到了254 mW cm-2。
图6由上到下分别是到具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶在0.1 M KOH电解液下的半波电位为0.84 V，和具有缺陷结构的碳化铁/氮掺杂多孔碳气凝胶在0.1 M KOH电解液下的半波电位为0.87 V。
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1
1）配置200 mL质量分数1-3 %的壳聚糖乙酸水溶液，将其滴入0.1 M铁***溶液中，缓慢搅拌后浸泡，得到铁-壳聚糖水凝胶；
2）利用冷冻干燥把铁-壳聚糖水凝胶制备成金属壳聚糖气凝胶；
3）铁-壳聚糖气凝胶在管式炉中，在氩气氛围下，经过700 ℃煅烧1小时，得到氮/硫共掺杂碳气凝胶；
4）用浓度为3 M的盐酸水溶液把碳化铁/碳气凝胶中的氧化铁等纳米颗粒除掉得到碳化铁/多孔碳气凝胶；
5）用电化学工作站及旋转圆盘电极测试上述产物在0.1 M KOH电解液下的ORR催化活性;
6）将上述得到的碳化铁/碳气凝胶材料作为阴极催化剂材料组装一次锌空电池，并测试其电池性能。
实施例2
1）配置200 mL质量分数0.3 %的壳聚糖乙酸水溶液，将其滴入0.1 M铁***溶液中，缓慢搅拌后浸泡，得到铁-壳聚糖水凝胶；
2）利用冷冻干燥把金属-壳聚糖水凝胶制备成铁-壳聚糖气凝胶；
3）铁-壳聚糖气凝胶在管式炉中，在氩气氛围下，经过700 ℃煅烧1小时，得到碳化铁/碳气凝胶；
4）用浓度为3 M的盐酸水溶液把碳化铁/碳气凝胶中的氧化铁等纳米颗粒除掉得到碳化铁/多孔碳气凝胶；
5）将得到的碳化铁/多孔碳气凝胶进行高温热处理（1000 ℃，1小时），除掉一部分碳原子，得到具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶；
6）用电化学工作站及旋转圆盘电极测试上述产物在0.1 M KOH电解液下的ORR催化活性；
7）将上述得到的碳化铁/碳气凝胶材料作为阴极催化剂材料组装一次锌空电池，并测试其电池性能。
实施例3
1）配置200 mL质量分数1-3 %的壳聚糖乙酸水溶液，将其滴入0.1 M铁***溶液中，缓慢搅拌后浸泡，得到铁-壳聚糖水凝胶；
2）利用冷冻干燥把铁-壳聚糖水凝胶制备成铁-壳聚糖气凝胶；
3）铁-壳聚糖气凝胶在管式炉中，在氩气氛围下，经过700℃煅烧1小时，得到碳化铁/碳气凝胶；
4）用浓度为3 M的盐酸水溶液把碳化铁/碳气凝胶中的氧化铁等纳米颗粒除掉得到碳化铁/多孔碳气凝胶；
5）将得到的碳化铁/多孔碳气凝胶在管式炉中，在氨气氛围下，经过800℃煅烧2h进行氮掺杂处理，得到具有缺陷结构的碳化铁/氮掺杂多孔碳气凝胶；
6）用电化学工作站及旋转圆盘电极测试上述产物在0.1 M KOH电解液下的ORR催化活性；
7）将上述得到的碳化铁/碳气凝胶材料作为阴极催化剂材料组装一次锌空电池，并测试其电池性能。

Claims (6)

1.一种具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
1）把一定量的壳聚糖加入乙酸水溶液中，搅拌后得到壳聚糖水溶液；
2）将壳聚糖水溶液滴加入铁***水溶液中，搅拌浸泡后得到铁-壳聚糖水凝胶；
3）利用冷冻干燥把铁-壳聚糖水凝胶制备成铁-壳聚糖气凝胶；
4）铁-壳聚糖气凝胶在管式炉中经一定的碳化工艺煅烧，得到碳化铁/碳气凝胶；
5）用盐酸水溶液把碳化铁/碳气凝胶中的氧化铁等纳米颗粒除掉得到碳化铁/多孔碳气凝胶；
6）用电化学工作站和旋转圆盘电极测试上述产物的电化学性能。
2.根据权利要求书1所述的制备方法,其特征在于，步骤1）中所述乙酸水溶液浓度为质量分数0.3 %，溶解温度为20-25℃。
3.根据权利要求书1所述的制备方法,其特征在于，步骤2）中所述铁***水溶液浓度为0.1 M，溶解温度为20-25℃。
4.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤4）中所述碳化工艺为700℃ 煅烧1小时，煅烧气氛为氩气。
5.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤5）中所述的盐酸浓度为0.5 M，浸泡时间为12小时。
6.根据权利要求书1所述的测试方法，其特征在于，步骤6）中所述，测试了材料的氧还原性能，主要用循环伏安法、线性扫描伏安法和计时电流等方法，电压范围为-1.0-0.2 V；用三电极测试装置，Ag/AgCl/KCl饱和溶液的参比电极，电解液为0.1M氢氧化钾溶液。
CN202111409541.6A 2021-11-25 2021-11-25 一种具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶锌-空气电池阴极催化剂的制备方法 Withdrawn CN114105143A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111409541.6A CN114105143A (zh) 2021-11-25 2021-11-25 一种具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶锌-空气电池阴极催化剂的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111409541.6A CN114105143A (zh) 2021-11-25 2021-11-25 一种具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶锌-空气电池阴极催化剂的制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114105143A true CN114105143A (zh) 2022-03-01

Family

ID=80372558

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111409541.6A Withdrawn CN114105143A (zh) 2021-11-25 2021-11-25 一种具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶锌-空气电池阴极催化剂的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114105143A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114920237A (zh) * 2022-05-31 2022-08-19 中南大学 一种新型单层石墨烯气凝胶及其制备方法和应用

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114920237A (zh) * 2022-05-31 2022-08-19 中南大学 一种新型单层石墨烯气凝胶及其制备方法和应用
CN114920237B (zh) * 2022-05-31 2024-03-15 中南大学 一种单层石墨烯气凝胶及其制备方法和应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107335451B (zh) 铂/二硫化钼纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法
CN111644189B (zh) 利用废旧电池负极石墨的氧还原催化剂及其制备方法
CN108722453B (zh) 一种用于碱性电催化析氢的磷化钼/碳复合纳米材料
CN111354952B (zh) 一种石墨毡复合电极及其制备方法
CN112234213B (zh) 一种过渡金属及硫氮共掺杂的大孔碳电催化剂的制备方法与应用
CN110838588A (zh) 一种可充式锌空电池双功能催化剂及其制备方法与应用
CN112968184B (zh) 一种三明治结构的电催化剂及其制备方法和应用
CN112886029B (zh) 以中空碳纳米管为载体的双功能氧电催化剂的制备及应用
CN112522726A (zh) 一种由天然琼脂衍生的氮掺杂多孔碳/二硫化钼复合材料的制备方法及其应用
CN110504456A (zh) 一种基于氮氧掺杂球/片多孔碳材料的氧还原电极及其制备方法和应用
CN113967480A (zh) 一种磷掺杂二硫化钼/多孔碳复合材料的制备方法及其应用
CN105449230A (zh) 一种LaCoO3/N-rGO复合物及其制备和应用方法
CN113201759B (zh) 一种三维多孔碳支撑的硫化铋/氧化铋复合催化剂及其制备方法和应用
CN113381034B (zh) 一种聚吡咯凝胶负载铜磷原子复合材料的制备方法及应用
CN114105143A (zh) 一种具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶锌-空气电池阴极催化剂的制备方法
CN111653794B (zh) 利用废旧电池负极石墨的碳基氧还原催化剂及其制备方法
CN108598502A (zh) 一种Ni-Co氧化物金属空气电池电极催化剂及其制备方法和应用
CN112397732A (zh) 一种orr催化剂材料及其制备方法和用途
CN109994744B (zh) 一种促进硼氢化钠直接氧化的镍钴二元催化剂
CN108134103B (zh) 一种石墨烯负载二硫化钴氧还原催化剂的制备方法及其应用
CN114560508B (zh) 一种用于超级电容器的复合催化剂及其制备方法和应用
CN106784898B (zh) 一种锂钴氧化物与碳黑共混型催化剂及其制备方法和应用
CN113224319B (zh) 一种氮硫共掺杂碳包覆过渡金属纳米硫化物电化学氧催化剂的制备方法
CN105097290B (zh) 集流体上制备掺烛碳的金属化合物电极活性物质的方法及烛碳在制备电极活性物质中的应用
CN113774428A (zh) 一种高效钴铑氢氧化物纳米颗粒/碳布电极的制备方法及其产品和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WW01 Invention patent application withdrawn after publication
WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20220301