一種泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料的制備方法技術

本發明專利技術公開了一種泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料，泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料中Ir以薄膜形式均勻的負載在泡沫鎳表面，且三維尺度上分布于整個泡沫鎳網狀結構中。還公開了其制備方法，包括如下步驟：將泡沫鎳用丙酮溶液超聲清洗10?15分鐘；超聲清洗后的泡沫鎳浸泡在乙醇溶液中，并滴加氫氟酸后浸泡5?15分鐘；迅速加入含有IrO

Foamed nickel in-situ supported Ir nanocomposite and its application in positive electrode of lithium air battery

The invention discloses a nickel foam in situ supported Ir nano composite material, foamed nickel supported Ir nano composite materials in situ Ir load on the surface of nickel foam to form a uniform thin film, and the three-dimensional scale distribution in the entire nickel foam in the network structure. Also discloses the preparation method comprises the following steps: nickel foam with acetone solution ultrasonic cleaning 10 15 minutes; ultrasonic cleaning of nickel foam soaked in ethanol solution, and adding hydrofluoric acid after soaking for 5 15 minutes; quickly joined with IrO

【技術實現步驟摘要】
一種泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料及其在鋰空氣電池正極中的應用
本專利技術屬于電化學
，具體的是涉及一種泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料，以及用其做鋰空氣電池正極催化劑的應用。
技術介紹
高效、方便、無污染的新型綠色可再生能源是解決能源危機、環境污染的重要途徑之一。伴隨著電動汽車行業的快速發展，鋰離子電池的較低的能量已不能滿足電動汽車等長距離行駛的要求，限制了其大規模應用。金屬-空氣電池作為新一代綠色電池的代表之一，已有廣泛研究應用，鋰氧(Li-O2)電池，又稱鋰空氣電池，正是在這一背景下孕育而出。金屬鋰擁有自然界中最負的氧化還原平衡電位(E°＝-3.01Vvs.SHE)，質量輕、比容量大。另外，空氣電池的正極活性物質取自大氣中的氧氣，極大減輕了正極的負載，因此，Li-O2電池擁有化學可逆電源中最高的、堪比汽油的理論比能量，已成為全世界范圍關注的熱點。Abraham和Jiang于1996年首次提出非水性Li-O2電池的概念，克服水性Li-O2電池的致命缺點，使其研究進入新的階段。非水性鋰空氣電池在放電過程中，負極的金屬鋰陽極溶解為鋰離子與電子擴散到正極，外界O2進入電池內部后，在正極表面活性反應點上得到電子生成過氧根(O22-)或氧離子(O2-)(氧還原反應，ORRoxygenreductionreaction)，同時與鋰離子絡合生成過氧化鋰(Li2O2)或氧化鋰(Li2O)。充電過程中，放電產物(過氧化鋰、氧化鋰)分解，過氧根和氧離子失去電子成為氣態氧分子重新逸出(即氧逸出反應，OER)，而電子與鋰離子回到負極進行陰極電結，在整個放—充電過程中，電池只有氧氣的吸收與釋放，因此又被稱為“可呼吸的電池”。目前，國內外絕大多數Li-O2電池的相關研究都是在純氧條件下(PO2≥1atm)進行的，但從實際應用角度出發，Li-O2電池最終將在大氣氛圍下運行并需要保持良好的性能。當Li-O2電池的工作環境從純氧換成大氣時，忽略H2O、CO2的影響，電池的輸出能量也會顯著降低。這主要是因為大氣下氧分壓很低(PO2～0.21atm)，進一步惡化了電池的氧傳輸性能和氧還原反應動力學性能。另一方面，由于鋰空氣電池氧氣極動力學性能差，無論在純氧還是在大氣下充電，電池都需要很高的過電位，充電可逆性差。為了提升Li-O2電池在大氣下的電化學性能，國內外學者們從多個角度展開了積極的研究，如增強電解液中的氧傳輸能力或設計新型電極以構建三相反應界面等。研究表明，在氧氣極中添加氧氣還原反應電催化劑有助于電池在大氣下的運行。Shen等人開發的Pd修飾碳納米管電極就能在室溫大氣下輸出2000mAh·g-1的容量，遠高于常用的SuperP碳電極(<200mAhg-1)。Yuasa等人發現鈣鈦礦型LaMn0.6Fe0.4O3催化劑不僅使氧氣極在大氣下的放電容量增至～300mAh·g-1，同時電極的放電電壓升至2.5V(vs.Li/Li+)。目前，上述催化劑的添加普遍存在的問題是，不能保證氧氣的通過率。同時催化劑的添加分布不均勻，影響催化劑在電極中所占的比例，對氧氣生成反應沒有明顯的催化效果。因此，在相關領域需要一種新型含催化劑結構的集流體來提高鋰空氣電池的性能。
技術實現思路
本專利技術的目的之一是提供一種泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料，具體技術方案是：一種泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料，泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料中Ir以薄膜形式均勻的負載在泡沫鎳表面，且三維尺度上分布于整個泡沫鎳網狀結構中，其中，Ir的負載量在0.21-0.27mg/cm2。本專利技術的目的之二是提供本專利技術的目的之一所述的泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料的制備方法，具體技術方案是：一種泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料的制備方法，包括如下步驟：(1)將泡沫鎳用丙酮溶液超聲清洗10-15分鐘；(2)經過步驟(1)超聲清洗后的泡沫鎳浸泡在乙醇溶液中，并滴加0.5-1ml氫氟酸后浸泡5-15分鐘；(3)向步驟(2)所得的混合溶液中迅速加入含有IrO2的乙醇溶液，并劇烈攪拌；(4)將步驟(3)中所得固液體系在室溫下放置20-40分鐘，直至溶液變色；(5)完成步驟(4)后取出泡沫鎳，用蒸餾水洗滌3-5次，之后在150-200℃的溫度下干燥24小時，得到泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料。更進一步的，步驟(1)丙酮溶液中丙酮與蒸餾水的體積比為1:2或1:3。更進一步的，步驟(3)中IrO2的乙醇溶液中IrO2的溶度為2-2.5mmol/L。本專利技術提供的泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料及其制備方法的優點是：Ir具有較高的氧化還原電位，比較適合使用自發交換法制備納米結構Ir材料。Ir離子與泡沫鎳表面的Ni原子接觸，發生如下反應：Ir3++Ni→Ni2++Ir反應生成的泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料中Ir以薄膜形式均勻的負載在泡沫鎳表面，且三維尺度上分布于整個泡沫鎳網狀結構中。泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料整個制備方法成本較低，簡單易操作。本專利技術的目的之三是提供一種鋰空氣電池正極催化劑，具體技術方案是：一種鋰空氣電池正極催化劑，用本專利技術目的之一所述的泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料作為鋰空氣電池正極催化劑。本專利技術提供的鋰空氣電池正極催化劑的優點是：泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料作為高性能鋰空氣電池的正極催化劑，為鋰空氣電池提供更多的反應活性位點，促使正極產物過氧化鋰(Li2O2)的形成和分解，并且能夠促進電子的轉移，從而發揮高效的催化效果，提高了鋰空氣電池的放電容量，提升了放電電壓平臺，降低了電池極化，催化效果顯著。本專利技術的目的之四是提供一種鋰空氣電池正極的制備方法，具體技術方案是：一種鋰空氣電池正極的制備方法，將正極碳材料與粘結劑超聲混合20-30分鐘，然后涂于本專利技術目的之一所述的泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料上，在100-120℃真空干燥10-12小時，得到鋰空氣電池正極。更進一步的，正極碳材料與粘結劑按照質量比為7:3或8:2進行混合。更進一步的，正極碳材料為超導碳、碳納米管或石墨烯；粘結劑為聚偏氟乙烯、水性粘合劑或聚乙烯醇。本專利技術提供的鋰空氣電池正極的制備方法的優點是：通過用該方法制備的鋰空氣電池正極，催化劑添加的均勻，保證氧氣的通過率，不影響催化劑在電極中所占的比例，對氧氣生成反應有較為明顯的催化效果。本專利技術的目的之五是提供一種鋰空氣電池的裝配方法，具體技術方案是：一種鋰空氣電池的裝配方法，其特征在于，在充滿氬氣保護的手套箱中裝配電池；其中，正極為應用本專利技術目的之四所述的制備方法制備的正極，負極為鋰片，電解液溶質為雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰(LiTFSI)，電解液溶劑為四甘醇二甲醚，隔膜為玻璃纖維濾紙；電池裝配好后，在氧氣氛圍下，將裝配好的電池靜置6-8小時，使電解液充分浸潤正極；然后再通入氧氣靜置3-4小時，使氧氣溶解于電解液中。更進一步的，在1cm2集流體上添加0.2-0.3mg的泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料。本專利技術提供的鋰空氣電池的裝配方法的優點是：通過采用泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料做鋰空氣電池正極催化劑，具有較好的雙功能電催化性能，氧氣還原催化性能與氧氣析出催化性能得到改善，其鋰空氣電池的放電容量高，放電平臺高。附圖說明為了更清楚的說明本專利技術實施例或現有技術中的技術方案，下面本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料，其特征在于，所述的泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料中Ir以薄膜形式均勻的負載在泡沫鎳表面，且三維尺度上分布于整個泡沫鎳網狀結構中，其中，Ir的負載量在0.21?0.27mg/cm

【技術特征摘要】
1.一種泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料，其特征在于，所述的泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料中Ir以薄膜形式均勻的負載在泡沫鎳表面，且三維尺度上分布于整個泡沫鎳網狀結構中，其中，Ir的負載量在0.21-0.27mg/cm2。2.權利要求1所述的一種泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)將泡沫鎳用丙酮溶液超聲清洗10-15分鐘；(2)經過步驟(1)超聲清洗后的泡沫鎳浸泡在乙醇溶液中，并滴加0.5-1ml氫氟酸后浸泡5-15分鐘；(3)向步驟(2)所得的混合溶液中迅速加入含有IrO2的乙醇溶液，并劇烈攪拌；(4)將步驟(3)中所得固液體系在室溫下放置20-40分鐘，直至溶液變色；(5)完成步驟(4)后取出泡沫鎳，用蒸餾水洗滌3-5次，之后在150-200℃的溫度下干燥24小時，得到泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料。3.根據權利要求2所述的泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)丙酮溶液中丙酮與蒸餾水的體積比為1:2或1:3。4.根據權利要求2所述的泡沫鎳原位負載Ir納米復合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中IrO2的乙醇溶液中IrO2的溶度為2-2.5mmol/L。5.一種鋰空氣電池正極催化劑，其特征在于，用...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張蕾，段曉波，劉清華，
申請(專利權)人：西安科技大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61