本發明專利技術屬于納米催化劑技術領域，具體為一種過渡金屬氧化物納米材料覆蓋的機能性纖維氈及其制備方法。本發明專利技術的機能性纖維氈包括過渡金屬納米顆粒和碳纖維，過渡金屬納米顆粒均勻分布于碳纖維表面，過渡金屬納米顆粒的粒徑為40—70納米，碳纖維的粒徑0.8-1.3微米。制備過程包括：配制成共混紡絲原液；進行高壓靜電紡絲，得納米纖維氈；將納米纖維氈在N2弱還原氛圍下煅燒。本發明專利技術制備方法簡單，成本低，重現性好，易于工業化，所制備的金屬納米氧化物纖維氈可以作為鋰-空氣的催化層，以增強氧還原反應進行，提高電池特性。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于納米催化劑
，具體涉及一種。
技術介紹
研發容量更高的、環保友好的、可持續的新一代電池體系，對于移動電子產品、電動汽車、風力發電等產業的發展有重大意義。鋰空氣電池是利用鋰金屬或鋰化合物作為負極活性物質、利用氧氣作為正極活性物質的、可以進行充放電的電池。作為正極活性物質的氧氣可以從空氣中得到，因而無需將正極活性物質封入到電池內。與目前的鋰離子電池相t匕，可將能量密度在理論值上提高到以前的15倍以上，堪與汽油媲美。理論上，由于氧氣作為正極反應物不受限，該電池的容量僅取決于鋰電極，其比能量為5.21 kWh/kg (包括氧氣質量)，或11.14 kWh/kg (不包括氧氣質量)。此外，鋰空氣電池是無污染的。因而近年來，鋰空氣電池以其極高的比能量和環境友好的優點引起越來越多研究者的關注。然而，在室溫下，氧氣的還原反應(02+4 e ->2 O2OdPoxygen reductionreaction (0RR)，進行非常緩慢；由此氧離子與鋰金屬原子的電化學反應很弱，放電電流密度不大。為了解決此問題，麻省理工的Yang Shao-Horn等研究了鉬(Pt)、金(Au)等作為催化劑，取得高達1000 mA/g的放電電流。具體參見非專利文獻I。但是考慮到上述催化劑屬于貴金屬范疇，價格極其昂貴。圣安德魯斯大學的Bruce等用過渡金屬二氧化錳及四氧化三鈷替代貴金屬做催化劑，取得了很好效果。添加催化劑C1-MnO2，經過50次充放電后，電池的比容量仍然達到600 mAh/g。具體參加非專利參考文獻2、3。余愛水等人使用憎水的離子液體和硅土、PVDF-HFP的復合電解質，用a-MnO2作為催化劑，獲得了比容量高達2040 mAh/g的鋰空氣 電池。在傳統的過渡金屬催化劑的制備一般如美國公開專利2013/0029233 Al所示。采用過渡金屬納米顆粒和碳黑(Super P、Ketjen black)混合，以N-甲基吡咯烷酮(NMP)為母液，以聚偏氟乙烯(PVDF)為粘合劑，制成粘稠狀的泥漿，涂覆于空氣電極表面，然后真空干燥即可。這樣的方法簡單易行，表現優異。如，Bruno Scrosati和Yank-Kook Sun等,利用類似的方法，實現了可觀的電容量(3000 mAh /g。- )。具體實驗實施可以參見非專利參考文獻4。然而，在上述的制備過程中，在過渡金屬納米催化劑和碳黑的混合泥漿中，都使用了粘合劑，這樣既增加電極重量，又降低了電極材料的導電性。如果不使用粘合劑的話，催化劑和電極材料有無法固定在一起，而長時間工作。其次，催化劑納米顆粒未能深度嵌入碳黑電極材料中。大多數催化劑粒子不能與氧離子和鋰離子接觸而促使其電化學反應加快進行。只有在與空氣電極接觸的表面，有很膚淺的一層催化劑在起作用，造成催化效率降低。現有技術文獻 專利文獻1:美國審查專利申請公開號2013/0029233 Al非專利文獻 I:Y1-Chun Lu, Hubert A.Gasteiger, Michanel C.Parent, VazrikChiloyan and Yang Shao-Horn, Electrochem.Solid-State Lett., 2010 (13):A69-A72非專利文獻 2:A.Debart, A.J.Paterson, J.Bao, P.G.Brruce, Angew.Chem.1nt.Ed.，2008 (47):4521-4524 非專利文獻 3:A.Debart, J.Bao, G。Armstrong, P.G.Brruce, J.PowerSources, 2007 (174):1177-1182 非專利文獻 4:Hun_G.Jung, J.Hassoun, Jin-B.Park, Yang-K.Sun, and B.Scrosati, Nature Chemistry, 2012 (4):579-58
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服上述技術難題，提供一種沒有粘合劑(binder)的，過渡金屬氧化物納米材料覆蓋的機能性納米纖維氈及其制備方法。本專利技術提供的機能性納米纖維氈，是一種可用作鋰空氣電池空氣電極的復合材料，包括過渡金屬納米顆粒和碳纖維，所述過渡金屬納米顆粒均勻分布于碳纖維表面，過渡金屬納米顆粒的粒徑為40—70納米,碳纖維的粒徑0.8-1.3微米。本專利技術中，所述過渡金屬可為二氧化錳(MnO2)或四氧化三鈷(Co3O4X本專利技術的機能性納米氈的 制備方法，具體步驟為: (O以易容于有機溶劑的聚合物作為成纖基質，將過渡金屬納米顆粒與聚合物配制成共混紡絲原液； (2)將上述紡絲原液部分吸入溶液儲存器即注射器，用削平的注射針頭作為噴射細流的毛細管，進行高壓靜電紡絲，控制注射流速為0.8 1.5mL *h —S可轉動的接受基板離噴絲口距離為10 15 cm，該注射針頭沿著可注射轉動基板軸線方向移動，電壓為8 15 kV,環境溫度為15 30 '環境濕度為50 75%時；然后于室溫下真空干燥20-30小時，即制得纖維氈。具體實物圖可見圖2 (a)和(b); (3)將上述纖維氈在弱還原氣氛(N2)中，在500-600°C煅燒50— 70分鐘；煅燒后，制得金屬納米顆粒覆蓋的纖維，具體可見圖3 (a)和(b)所示。本專利技術中，步驟(I)中所述的過渡金屬納米顆粒，可經過多次(如3次)行星球磨法球磨，在球磨過程中使用的氧化錯顆粒，進行混合攪拌，氧化錯顆粒的直徑為3mm-0.3mm。步驟(I)中使用的有機溶劑為乙醇和丁醇，兩者的體積比為1:2 ;所使用的聚合物宜為聚乙烯醇縮丁醛(PVB)，其分子量為7000-11000。步驟(I)中的配置方式為:將3-4g PVB加入乙醇和丁醇混合液，混合液體積為30—40 mL。加入0.04-0.06 g魚油作為分散劑，用磁力攪拌器攪拌3_5小時。將所制的過渡金屬納米顆粒加入聚合物溶液，通過行星攪拌器，攪拌4-6次。每次攪拌中的轉速為1000-1200/分鐘，時間為20-25分鐘，得到紡絲原液。本專利技術中，步驟(2)使用的溶液存儲器即注射器，其容量可為20 mL,使用的針頭可為9號。步驟(2)使用的溶液存儲器的注射頭和可轉動基板之間的角度，可以通過旋鈕手動調節。步驟(2)在高壓靜電紡絲過程中，有三個電子馬達，它們是:控制注射速度的馬達，控制接受纖維氈基板的轉動馬達，以及控制針頭沿著基板軸線移動的平動馬達。步驟(2)中使用可轉動的接受基板，可為鋁制薄膜，其表面覆蓋了一層陶瓷層，該陶瓷層的作用為:使制得的纖維氈容易從鋁制薄膜表面移走。所述陶瓷層材料可為氧化鋯，通過噴涂方法制備。步驟(2)中的環境溫度和環境濕度，可由設備底部的輸氣系統和設備頂部的抽氣系統控制。具體說來，可通過調節輸氣口空氣的溫度和濕度來控制；或者通過調節抽氣速度來控制。該外接空氣由另外獨立的空氣干燥機制得。本專利技術中，步驟(3)的煅燒過程中，所使用的N2純度宜為99.9%，流速宜為50 cc/分鐘。為了防止纖維氈在升溫過程中收縮變形，一般在其表面壓以陶瓷片重物，以保證纖維租扁平。本專利技術所述復合材料的制備方法具有以下特點 1、成本低廉、操作簡單、重現性好、易于工業化； 2、所使用過渡金屬無副本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種過渡金屬氧化物納米材料覆蓋的機能性纖維氈，其特征在于：包括過渡金屬納米顆粒和碳纖維，所述過渡金屬納米顆粒均勻分布于碳纖維表面，過渡金屬納米顆粒的粒徑為40—70納米，碳纖維的粒徑為0.8?1.3微米。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：梁波，區瓊榮，梁榮慶，吳忠航，何志江，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發明
國別省市：
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