CN103151538A - 一种锌空气电池用Ag/C催化剂及其制备方法 - Google Patents

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齐鹭汀
王二东
姜鲁华
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Abstract

本发明涉及一种锌空气电池用Ag/C催化剂及其制备方法。锌空气电池用Ag/C催化剂是以银盐为原料，PVP作为保护剂，采用NaBH4作为还原剂将银盐还原制备而成。催化剂制备过程中保护剂与银盐的质量比为0.1:1-15:1；催化剂中Ag与C的质量比为98:2～40:60。采取本工艺制备Ag/C催化剂，工艺简单，适合大规模工业化生产，且制备过程不涉及污染环境的材料，绿色环保。将本方法制备的Ag/C催化剂，应用在锌空气电池中，性能优异。

Description

一种锌空气电池用Ag/C催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属空气电池催化剂领域，尤其涉及一种锌空气电池用Ag/C催化剂。
背景技术
当今时代，能源危机和地球上可再生资源的枯竭，寻找绿色环保可持续发展能源成为人类社会发展的主题。
金属空气电池是一种绿色环保洁净能源。锌空气电池是金属空气电池中的一种。锌空气电池具有比容量大、能量密度高、输电品质好、放电曲线平稳、干态存储时间长、价格低廉、使用安全、没有爆炸隐患、环境友好等众多优点。锌空气电池采用空气电极作为阴极，阳极为锌电极，电解质溶液多为碱性KOH溶液。氧电极作为锌空气电池的阴极，在氧还原过程中可逆性小，极化过电位较大，是影响电池性能的重要因素。为提高氧电极的性能，寻找催化性能高且价格低廉的氧电极催化剂成为锌空气电池研究的重点。
在氧还原过程中，银可以发挥良好的催化活性，并且具有较佳的导电性，被认为是典型的氧还原催化剂之一。在碱性条件下，银催化剂的重要特点是对反应中间产物过氧化氢起到良好的分解作用。Pt基催化剂具有较高的催化性能，但由于其资源紧缺，价格昂贵，使得Pt催化剂产业化生产成为研究中的一大难题。Ag催化剂相对于Pt催化剂价格低廉，在碱性条件下具有良好的催化活性，将Ag催化剂用在锌空气电池中可以发挥良好的催化活性。
中国专利CN101171929A公开了一种纳米银抗菌剂的制备方法。该专利以聚乙烯吡咯烷酮为分散剂，以硝酸银为原料，用硼氢化钠将其还原，纳米二氧化硅为载体，制备成了纳米银抗菌剂。但上述SiO2载体不适合用于催化剂领域。
目前单纯Ag/C催化剂在锌空气电池中研究较少。
发明内容
针对现有技术的不足，目的在于提供了一种锌空气电池用Ag/C催化剂及其制备方法。
一种锌空气电池用Ag/C催化剂，Ag于Ag/C催化剂中的质量含量为2%-60%。
所述催化剂的制备方法为：以银盐为原料，在保护剂存在的条件下，采用NaBH4作为还原剂，制备Ag/C；且所述催化剂中Ag与C的质量比为98:2～40:60；保护剂和银盐的质量比0.1:1-15:1。
所述催化剂的制备过程如下：
1）取一定量的炭载体将其球磨5min以上，然后将其置于乙醇中超声洗涤0.1-10h后过滤，再用蒸馏水超声清洗0.1-10h，过滤得处理后的碳载体；该步骤中碳载体的处理有利于碳载体表面吸附物种的清除，有利于催化剂性能的提高；
2）按质量比0.1:1-15:1称取保护剂和银盐，并将其溶解在去离子水中，并将混合液置于反应釜中搅拌20min以上得银盐溶液；银盐的浓度为0.001-2mol/L；
3）配置0.001mol/L-2mol/L的NaBH4溶液；
4）将步骤（3）配置的NaBH4溶液按0.1-1倍银盐摩尔比缓慢加入到步骤（2）所得银盐溶液中，搅拌后加入步骤（1）所得处理后的碳载体，搅拌并使之混合均匀；
5）将步骤（4）得到的溶液抽滤洗涤，30℃-120℃烘干，即制备Ag/C催化剂。
所述保护剂为聚乙烯吡咯烷酮（PVP)、聚乙烯醇（PVA)、八烷基三甲基溴化铵(OTAB)、十烷基三甲基溴化铵(DeTAB)、十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、聚丙烯酸钠、明胶中的一种或者二种以上。
所述的银盐为硝酸银，高氯酸银或者氟化银中的一种或者两种以上。
所述炭载体为活性碳、乙炔黑、石墨、碳纳米管中的一种或两种以上的混合物。
所述催化剂可用于锌-空气电池阴极氧还原催化剂。
与现有技术相比，本发明催化剂具有以下优点：
1.在碱性条件下，该催化剂氧还原催化活性高，催化剂稳定性好，对反应中间产物H2O2具有很好的分解作用；
2.与Pt基催化剂相比，该催化剂价格低廉；
3.该催化剂制备工艺简单、易于放大，适合大规模工业化生产，大规模生产的催化剂性能优良，一致性好；
4.该催化剂制备过程中，不涉及污染环境的原料，绿色环保；
附图说明
图1为本发明实施例3提供的Ag/C催化剂的XRD图。
图2为本发明实施例4提供的Ag/C催化剂的SEM图。
图3为本发明实施例4提供的载有Ag/C催化剂的锌空气电池的极化曲线。
图4为本发明实施例4提供的载有Ag/C催化剂的锌空气电池3.2A恒流放电曲线。
具体实施方式
下面将对本发明做详细的描述，但本发明并不仅限于以下实施例。
实施例1
称取称取72g XC-72R活性炭将其球磨1h，然后用乙醇超声洗涤1.5h，再用蒸馏水超声清洗1.5h。称取1gPVP和12.5gAgNO3用400ml去离子水溶解，配置成AgNO3溶液，并将其机械搅拌搅拌1h。配置0.02mol/LNaBH4溶液，将其充分搅拌。将1.3L0.02mol/L NaBH4溶液缓慢加入至AgNO3溶液中将二者充分反应。称取72g XC-72R活性炭，放进AgNO3溶液中共同搅拌。将前述反应中的产物抽滤，80℃烘干，即制备Ag/C催化剂。
实施例2
称取30g BP-2000将其球磨1h，然后用乙醇超声洗涤1.5h，再用蒸馏水超声清洗1.5h。称取1gPVP和12.5g AgNO3用400ml去离子水溶解，配置成AgNO3溶液，并将其机械搅拌搅拌4h。配置0.02mol/LNaBH4溶液，将其充分搅拌。将1.3LNaBH4溶液缓慢加入至AgNO3溶液中将二者充分反应。称取30g BP-2000，放进AgNO3溶液中共同搅拌。将前述反应中的产物抽滤，80℃烘干，即制备Ag/C催化剂。
实施例3
将日本AIR-WATER株式会社活性碳用球磨机球磨1h，称取1.439g然后用乙醇超声洗涤1.5h，再用蒸馏水超声清洗1.5h。称取3.4gAgNO3和34gPVP，用2L去离子水将其溶解，搅拌30min，称取0.757gNaBH4用2L去离子水稀释，将NaBH4缓慢加入AgNO3溶液中。将活性炭载体加入到反应体系中，保持搅拌12h，经抽滤洗涤40℃真空干燥处理，即制备成Ag/C催化剂。
实施例4：
称取12.70g日本AIR-WATER株式会社活性碳将其球磨1h，然后用乙醇超声洗涤1.5h，再用蒸馏水超声清洗1.5h。称取5gAgNO3和10gPVP，用2.8L去离子水将其溶解，搅拌30min，称取1.14gNaBH4用1.5L去离子水稀释，将NaBH4缓慢加入AgNO3溶液中。将活性炭载体加入到反应体系中，保持搅拌12h，经抽滤洗涤40℃真空干燥处理，即制备成Ag/C催化剂。
应用例1：
空气电极的制备：于5ml乙醇中加入分别实施例4制备的Ag/C催化剂2g和6g 40%PTFE乳液，混合均匀后涂覆于泡沫镍集流网上，至Ag/C催化剂的担载量为2mg/cm2，得空气电极；以上述制备的空气电极为阴极，锌电极为阳极，7mol/L KOH溶液为电解质，组装得锌-空气电池。锌-空气电池测试条件为：阴极为常压空气、空气流速为200sccm。

Claims (7)

1.一种锌空气电池用Ag/C催化剂，其特征在于：
Ag于Ag/C催化剂中的质量含量为2%-60%。
2.一种权利要求1所述催化剂的制备方法，其特征在于：
以银盐为原料，在保护剂存在的条件下，采用NaBH4作为还原剂，制备Ag/C；且所述催化剂中Ag与C的质量比为98:2～40:60；保护剂和银盐的质量比0.1:1-15:1。
3.按照权利要求2所述的催化剂，其特征在于：制备过程如下，
1）取一定量的炭载体将其球磨5min以上，然后将其置于乙醇中超声洗涤0.1-10h后过滤，再用蒸馏水超声清洗0.1-10h，过滤得处理后的碳载体；
2）按质量比0.1:1-15:1称取保护剂和银盐，并将其溶解在去离子水中，并将混合液置于反应釜中搅拌20min以上得银盐溶液；银盐的浓度为0.001-2mol/L；
3）配置0.001mol/L-2mol/L的NaBH4溶液；
4）将步骤（3）配置的NaBH4溶液按0.1-1倍银盐摩尔比缓慢加入到步骤（2）所得银盐溶液中，搅拌后加入步骤（1）所得处理后的碳载体，搅拌并使之混合均匀；
5）将步骤（4）得到的溶液抽滤洗涤，30℃-120℃烘干，即制备Ag/C催化剂。
4.按照权利要求2或3所述的催化剂，其特征在于：
所述保护剂为聚乙烯吡咯烷酮（PVP)、聚乙烯醇（PVA)、八烷基三甲基溴化铵(OTAB)、十烷基三甲基溴化铵(DeTAB)、十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、聚丙烯酸钠、明胶中的一种或者二种以上。
5.按照权利要求2或3所述的催化剂，其特征在于：
所述的银盐为硝酸银，高氯酸银或者氟化银中的一种或者两种以上。
6.按照权利要求1或2或3所述的催化剂，其特征在于：所述炭载体为活性碳、乙炔黑、石墨、碳纳米管中的一种或两种以上的混合物。
7.按照权利要求1所述的催化剂，其特征在于：所述催化剂可用于锌-空气电池阴极氧还原催化剂。
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