一種碳基電催化劑和催化劑擔載的電極及其制備和應用制造技術

本發明專利技術公開了一種碳基電催化劑和催化劑擔載的電極及其制備和應用，屬于儲能技術電池領域。本發明專利技術以MOF

【技術實現步驟摘要】
一種碳基電催化劑和催化劑擔載的電極及其制備和應用


[0001]本專利技術屬于儲能
，特別涉及一種高比表面積，高導電性的雙層中空多孔催化劑以及催化劑擔載的電極的制備及其應用。

技術介紹

[0002]近年來，我國經濟與社會正處于高速發展階段，對化石能源的消耗日益增長，并帶來了嚴重的環境污染，這就呼吁我們要充分利用可再生能源，但是由于可再生能源的間歇性和波動性已經造成了超過20％的可再生能源不能被存儲，還會對電網的穩定性帶來了嚴重損害，這就迫切需要大規模儲能技術。在眾多儲能技術中，全釩液流電池由于具有靈活的設計性，高安全性、高能量效率和成本低的潛力等特點逐漸被應用在大規模儲能
但是來自電堆和釩鹽的成本限制了全釩液流電池的商業化使用，一種有效的方法是使全釩液流電池能夠在較高電流密度下操作同時保持較高的能量密度來降低電堆成本，但電流密度的提升會導致電池極化增加，致使電池性能下降。
[0003]電極作為全釩液流電池的關鍵部件之一，與電池的活化極化、歐姆極化和濃差極化密切相關，目前常用的電極有石墨氈和碳氈，主要是因為它們具有良好的導電性、穩定性和成本低的特點，但是在高電流密度下操作時，由于缺乏足夠的比表面積和親水性會帶來較大的極化損失。因此需要對電極進行改性處理來提升電極的催化活性、親水性和穩定性。
[0004]目前，電極的改性方法主要包括表面官能團化，通過氧化、氮化等處理方式提高電極表面的親水性，但是官能團的引入會降低電極的導電性；表面結構調控，通過KOH、NiO等刻蝕方式提高電極的比表面積，但這會損傷電極的機械性能；負載金屬催化劑，對于Pt、Pd等貴金屬會大幅度提升成本，對于WO3、Mn3O4等金屬氧化物會降低電極的導電性；負載碳納米管、介孔碳等比表面積較大的碳基催化劑，能夠在一定程度上降低活化極化，但是孔結構比較脆弱并不能夠滿足電池的長時間穩定運行，因此如何制備高活性、高穩定性的催化劑成為當今亟需解決的問題。

技術實現思路

[0005]針對上述問題，本專利技術以MOF
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74(金屬離子可以是Fe,Co,Ni，Mn等)為前驅體，在聚合物(聚合物可以是PVP，SDS，CTAB，F127)的保護下進行高溫碳化，可以抑制MOF的孔結構坍塌，并且由于MOF
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74碳化形成的獨特的碳包金屬結構，利用金屬對碳層的催化石墨化可以提高催化劑的導電性，然后通過酸洗處理獲得具有高比表面積，高導電性的雙層中空多孔結構的碳基電催化劑和催化劑擔載的電極。本專利技術所提供的電催化劑和催化劑擔載的電極制備方法簡單易控，且具有優異的能量效率、電催化活性和循環穩定性。
[0006]為實現上述目的，本專利技術采用的具體技術方案如下：
[0007]一種同時制備碳基電催化劑和催化劑擔載的電極的方法：主要包括如下步驟：
[0008](1)配制A溶液：將金屬鹽或其水合物加入到有機溶劑中攪拌均勻，獲得金屬鹽濃度為0.1
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0.5mol/L的A溶液；配制B溶液：將金屬有機配體和聚合物加入到有機溶劑中攪拌
均勻，獲得0.01
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0.05mol/L金屬有機配體和0.1～300g/L聚合物的B溶液；將A溶液和B溶液按照體積比為1:2～2:1混合，攪拌均勻；金屬鹽為鎳鹽、鐵鹽、鈷鹽或錳鹽中的一種，金屬有機配體為2,5
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二羥基對苯二甲酸；
[0009](2)將步驟(1)得到的混合溶液倒入反應釜中，并加入電極，于80
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120℃水熱反應6
?
36h，所得的產物用醇類溶劑沖洗后，干燥處理；
[0010](3)將步驟(2)得到的干燥后的產物在惰性氣體氣氛下800
?
1200℃煅燒1
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3h，然后用酸處理，得到碳基電催化劑和催化劑擔載的電極。
[0011]進一步地，步驟(1)中所述的鎳鹽為硫酸鎳、氯化鎳、硝酸鎳中的一種或二種以上；所述的鐵鹽為硫酸鐵、氯化鐵、硝酸鐵中的一種或二種以上；所述的鈷鹽為硫酸鈷、氯化鈷、硝酸鈷中的一種或二種以上；所述的錳鹽為硫酸錳、氯化錳、硝酸錳中的一種或二種以上。
[0012]進一步地，步驟(1)中所述的有機溶劑包括N，N
?
二甲基甲酰胺、甲醇、異丙醇、二甲基亞砜、N
?
甲基吡咯烷酮。
[0013]進一步地，步驟(1)中所述的聚合物包括PVP、SDS，CTAB，F127，優選PVP。
[0014]進一步地，步驟(2)中所述的醇類溶劑包括甲醇、乙醇、丙醇和丁醇。
[0015]進一步地，步驟(2)中干燥條件為60
?
80℃干燥3
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6h。
[0016]進一步地，步驟(2)中所述電極選自石墨氈、碳氈、碳布和碳紙。
[0017]進一步地，步驟(3)中所述的惰性氣體包括氮氣、氦氣、氬氣、氖氣。
[0018]進一步地，步驟(3)中所述酸處理過程使用的酸是2
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6mol/L硫酸或者4
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12mo/L鹽酸，處理24
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48h。
[0019]本專利技術另一方面提供上述方法制備的碳基電催化劑和催化劑擔載的電極。
[0020]進一步地，所述的電極的催化劑擔載量為1
?
3mg/cm2。
[0021]本專利技術另一方面提供上述碳基電催化劑和催化劑擔載的電極在全釩液流電池中的應用。
[0022]進一步地，所述催化劑擔載的電極作為全釩液流電池的正負極。
[0023]進一步地，所述的釩液流電池的高電流密度為80
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280mA/cm2。
[0024]本專利技術與現有技術相比具有如下優點：
[0025](1)本專利技術制備的碳基電催化劑的比表面積為200
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500m2/g，碳層孔徑分布在1.5
?
3.5nm左右，催化劑內部中空部分直徑在30
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50nm左右。
[0026](2)本專利技術的碳基電催化劑制備過程中水熱反應過程中聚乙烯吡咯烷酮(PVP)會與鎳離子發生相互作用并擔載在MOF顆粒表面，能夠明顯緩解顆粒聚集，獲得分散性較好、比表面積較大的MOF顆粒。
[0027](3)本專利技術的碳基電催化劑制備過程中高溫碳化過程中，利用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)與MOF的界面相互作用，能夠抑制MOF的孔結構坍塌，并緩解金屬顆粒的聚集，形成具有多孔結構的碳包鎳顆粒，并且金屬鎳在碳化過程中能夠催化碳層石墨化，進而提高催化劑的導電性，酸洗之后，可以獲得具有高比表面積，高導電性的雙層中空多孔結構的碳基電催化劑。由于碳層是多孔的，能夠使釩活性物質進入催化劑內部發生反應，從而為釩活性物質的氧化還原反應提供足夠的反應活性位點，降低電化學極化，提高能量效率。
[0028](4)本專利技術的碳基電催化劑不但具有較高的比表面積，而且催化劑的孔結構非常穩定，這既有利于暴露更多的活性位點，也能夠保證催化本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種同時制備碳基電催化劑和催化劑擔載的電極的方法，其特征在于，主要包括如下步驟：(1)配制A溶液：將金屬鹽或其水合物加入到有機溶劑中攪拌均勻，獲得金屬鹽濃度為0.1
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0.5mol/L的A溶液；配制B溶液：將金屬有機配體和聚合物加入到有機溶劑中攪拌均勻，獲得0.01
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0.05mol/L金屬有機配體和0.1～300g/L聚合物的B溶液；將A溶液和B溶液按照體積比為1:2～2:1混合，攪拌均勻；金屬鹽為鎳鹽、鐵鹽、鈷鹽或錳鹽中的一種，金屬有機配體為2,5
?
二羥基對苯二甲酸；(2)將步驟(1)得到的混合溶液倒入反應釜中，加入電極，于80
?
120℃條件下水熱反應6
?
36h，所得的產物用醇類溶劑沖洗后，干燥處理；(3)將步驟(2)得到的干燥后的產物在惰性氣體氣氛下800
?
1200℃煅燒1
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3h，然后用酸處理，得到碳基電催化劑和催化劑擔載的電極。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)中所述的鎳鹽為硫酸鎳、氯化鎳、硝酸鎳中的一種或二種以上；所述的鐵鹽為硫酸鐵、氯化鐵、硝酸鐵中的一種或二種以上；所述的鈷鹽為硫酸鈷、氯化鈷、硝酸鈷中的一種或二種以上；所述的錳鹽為硫酸錳、氯化錳、硝酸錳中的一種...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李先鋒，劉濤，邢飛，
申請(專利權)人：中國科學院大連化學物理研究所，
類型：發明
國別省市：