專利名稱：一種用于鋰空氣電池陰極的催化劑及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋰空氣電池領(lǐng)域，具體涉及一種用于鋰空氣電池陰極的催化劑及制備方法。
背景技術(shù)：
理論上，由于空氣中的氧氣作為鋰空氣電池正極反應(yīng)物不受限，鋰空氣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(zhì)量),或11.14kffh/kg (不包括氧氣質(zhì)量)，是目前鋰離子電池的10倍以上。另外，相對于其他的金屬-空氣電池，鋰空氣電池具有更高的比能量，而且鋰空氣電池是無污染的。因此近年來，鋰空氣電池引起越來越多研究者的關(guān)注。但是鋰空氣電池正極的氧氣還原反應(yīng)是緩慢反應(yīng)，由于目前催化劑性能的限制，電池在充放電過程中存在過電壓，導(dǎo)致了很大的能量損失，大大降低了電池可充電性，從而降低了電池的充放電循環(huán)效率和循環(huán)性能，難以商業(yè)化應(yīng)用。因此迫切需要尋找高性能的催化劑，以加快氧氣還原反應(yīng)速度，減少電池過電壓，提高充放電循環(huán)效率和循環(huán)性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高氧氣還原反應(yīng)速度、降低過電壓、改善鋰空氣電池性能的催化劑，同時也提供上述催化劑的一種成本低廉、操作簡單、無污染的制備方法，以客服現(xiàn)有技術(shù)不足。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的:一種用于鋰空氣電池陰極的催化劑，包括納米二氧化錳活性組分和金屬有機(jī)骨架(MOFs)，其中，MOFs與納米二氧化錳的摩爾比為5:1 30:1。一種用于鋰空氣電池陰極的催化劑的制備方法，包括以下步驟:取高錳酸鉀和還原劑，加入蒸餾水使其溶解，加入MOFs，攪拌10 30min后加入高壓反應(yīng)釜中，在140 180°C下水熱反應(yīng)8 72h，水熱反應(yīng)后冷卻至室溫，過濾，將下層沉淀在50 150°C干燥10 24h后即催化劑。上述制備過程中，原料摩爾比為高猛酸鉀:還原劑:蒸懼水:M0Fs=l: 1:1:5 1:1:2:30.
上述制備過程中，還原劑為氯化銨、硫酸錳、或1.0 5.0mol/L的鹽酸。本發(fā)明的另一種制備用于鋰空氣電池陰極的催化劑的方法，包括以下步驟:(I)將MOFs加入到蒸餾水中，于50 80°C攪拌20 60min，其中蒸餾水與MOFs的質(zhì)量比為50:1 200:1 ;(2)按照摩爾比1:2 4:2稱取MnCl2 4H20和KMnO4，加入至Ij 50 80°C的熱水中；(3)逐滴將所 述步驟(2)中得到的溶液加入步驟(I)所得到的溶液中，50 80°C下攪拌I 2h，離心，過濾，并用去離子水洗滌，然后將過濾出的沉淀置于干燥箱中在70 150°C干燥8 IOh，即得催化劑。
上述制備方法中，步驟(2)中的MnCl2 4H20用硫酸錳代替。與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于MOFs具有超高的比表面積，將二氧化錳與負(fù)載在MOFs材料上，既增加了電極的比表面積，又提高了催化劑的催化效率，大大地降低過電壓，提高了鋰空氣電池的性能。同時，催化劑的制備方法具有簡單易行，無需采用復(fù)雜苛刻的反應(yīng)條件，可實施性強(qiáng)，無污染等優(yōu)點。
具體實施例方式實施例1向50mL反應(yīng)釜中加入0.5mmol KMnO4,0.5mmol NH4Cl和30mL去離子水，以及IOmgMOFs,攪拌lOmin，然后置于烘箱中，在140°C下反應(yīng)8h，然后進(jìn)行離心、過濾，再用去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌多次，最后在80°C干燥12h，得催化劑樣品。實施例2向50mL反應(yīng)爸中加入0.7mmol KMnO4,0.7mmo1 MnSO4和35mL去離子水，以及20mgM0Fs，攪拌lOmin，然后置于烘箱中，在180°C下反應(yīng)24h，然后進(jìn)行離心、過濾，再用去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌多次，最后在150°C干燥12h，得催化劑樣品。實施例3向50mL反應(yīng)爸中加入0.Qmmol KMnO4,0.Qmmol HCl和35mL去離子水，以及37mgMOFs，攪拌lOmin，然 后置于烘箱中，在160°C下反應(yīng)72h，然后進(jìn)行離心、過濾，再用去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌多次，最后在130°C干燥24h，得催化劑樣品。實施例4將150mL蒸餾水加入密閉容器中，加熱到50°C，加入0.5g MOFs，于50°C攪拌20min，得溶液1，將1.4g MnCl2 H2O和3.16g KMnO4 (二者摩爾比為1:2)溶于25mL熱水中，得溶液2 ;將溶液2逐滴加入溶液I中，70°C攪拌lh，過濾，去離子水洗滌，然后70°C干燥8h，得催化劑樣品。實施例5將150mL蒸餾水加入密閉容器中，加熱到80°C，加入0.5g MOFs，于80°C攪拌20min，得溶液1，將5.1g MnSO4 H2O和3.16g KMnO4 (二者摩爾比為3:2)溶于25mL熱水中，得溶液2 ;將溶液2逐滴加入溶液I中，70°C攪拌lh，過濾，去離子水洗滌，然后70°C干燥10h，得催化劑樣品。
權(quán)利要求
1.一種用于鋰空氣電池陰極的催化劑，其特征在于，該催化劑包括納米二氧化錳活性組分和金屬有機(jī)骨架化合物(MOFs)載體，MOFs與納米二氧化錳的摩爾比為5:1 30:1。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述用于鋰空氣電池陰極的催化劑，其特征在于，催化劑的制備方法如下: 取高錳酸鉀和還原劑，加入蒸餾水使其溶解，加入MOFs，攪拌10 30min后加入高壓反應(yīng)釜中，在140 180°C下水熱反應(yīng)8 72h，水熱反應(yīng)后冷卻至室溫，過濾，將下層沉淀在50 150°C干燥10 24h后即得催化劑；其中，原料摩爾比為高錳酸鉀:還原劑:蒸餾水:MOFs=1:1:1:5 1:1:2:30。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于鋰空氣電池陰極的催化劑及制備方法，其特征在于，所述還原劑為氯化銨、硫酸錳、或1.0 5.0mol/L的鹽酸。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述用于鋰空氣電池陰極的催化劑，其特征在于，催化劑的制備方法包括以下步驟: (1)將MOFs加入到蒸餾水中，于50 80°C攪拌20 60min，其中蒸餾水與MOFs的質(zhì)量比為50:1 200:1 ; (2)按照摩爾比1:2 4:2稱取MnCl2 4H20和KMnO4,加入到50 80°C的熱水中； (3)逐滴將所述步驟(2)中得到的溶液加入步驟(I)所得到的溶液中，50 80°C下攪拌I 2h，離心，過濾，并用去離子水洗滌，然后將過濾出的沉淀置于干燥箱中在70 150°C干燥8 10h，即得催化劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于鋰空氣電池陰極的催化劑及制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中的MnCl2 4H20用硫酸錳代替。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于鋰空氣電池陰極的催化劑及制備方法，該催化劑包括納米二氧化錳活性組分和金屬有機(jī)骨架化合物(MOFs)載體，MOFs與納米二氧化錳的摩爾比為51～30:1。通過水熱法或氧化還原法將納米二氧化錳沉積在MOFs材料表面，制備成催化劑，用于鋰空氣電池陰極，具有很好的催化活性，降低了電池的過電壓，從而改善了鋰空氣電池的充放電效率。另外，催化劑的制備方法簡單易行，無需采用復(fù)雜苛刻的反應(yīng)條件，無污染。
文檔編號H01M4/90GK103165912SQ201310063788
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者銀鳳翔, 陳標(biāo)華, 李國儒 申請人:北京化工大學(xué)常州先進(jìn)材料研究院