CN107317041A - 一种用于金属空气电池阴极的催化剂层以及金属空气电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于金属空气电池阴极的催化剂层以及金属空气电池，其中，用于金属空气电池阴极的催化剂层由形状记忆聚合物基底和负载于基底上的催化剂薄膜组成；形状记忆聚合物基底处于具有1％‑40％的预设拉伸形变量或收缩形变量的状态；此时，所述催化剂薄膜处于被赋予1％‑8％的压应变或拉应变的状态。本发明提供的方案利用形状记忆聚合物的形状记忆效应和超弹性，在特定条件的触发下产生预设的拉应变或压应变，从而带动催化剂薄膜材料中原子间距发生特定改变，进而方便地调节催化剂薄膜的活性。该方法采用的调控手段简单易行，能够适应大规模生产应用的要求，为空气电池性的商业化应用提供了新的途径。

Description

一种用于金属空气电池阴极的催化剂层以及金属空气电池
技术领域
本发明属于空气电池技术领域，具体涉及一种用于空气电池阴极的催化剂层以及制得的空气电池。
背景技术
金属空气电池(MAB)是一类特殊的燃料电池，也是新一代绿色二次电池的代表之一，具有成本低、无毒、无污染、比功率高、比能量高等优点，既有丰富的资源，还能再生利用，而且比氢燃料电池结构简单，是很有发展前景的新能源。
目前，对于金属空气电池的研究主要集中在开发高性能氧还原催化剂方面，但是，催化剂性能的提高往往依赖更多贵金属的使用以及更复杂的制备工艺，而这些都不可避免地提高了金属空气电池的成本，一定程度上限制了大规模应用的推进。为此，从调控手段出发，寻找改善金属空气电池性能的便捷途径是非常有实际应用意义。
现有的调控方法中，为了改变原子间距而调节材料的电学、光学、磁学、催化等物理和化学特性，技术人员通常采用晶格错配或者掺杂等方法实现材料的弹性应变工程。例如，在半导体领域通过晶格错配可以使硅中载流子迁移率提高50％，Pt-Cu二元合金纳米粒子由于晶格错配产生的应变可以提高其催化活性，TiO2材料通过其它元素掺杂提供内应力等提高催化活性。但是，这些方法大多制备困难，成本高昂，变形量比较小且难于控制，因此实际应用中限制因素较多，也难以在改善金属空气电池性能方面获得商业化的推广应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于金属空气电池阴极的催化剂层。
本发明的另一目的是提供上述用于金属空气电池阴极的催化剂层的制备方法。
本发明的又一目的是提供一种金属空气电池阴极。
本发明的又一目的是提供一种可调节正极氧气吸收量的金属空气电池。
为达到上述目的，本发明提供了一种用于金属空气电池阴极的催化剂层，其中，所述催化剂层由形状记忆聚合物基底和负载于基底上的催化剂薄膜组成；所述形状记忆聚合物基底处于具有1％-40％的预设拉伸形变量或收缩形变量的状态；此时，所述催化剂薄膜处于被赋予1％-8％的压应变或拉应变的状态。
本发明提供的方案特别地利用形状记忆聚合物的形状记忆效应和超弹性，在特定条件的触发下产生预设的拉应变或压应变(如加热、光照、通电或者改变酸碱度等)，从而改变表面催化剂薄膜的d带中心。可见，本发明方法采用的调控手段简单易行，能够适应大规模生产应用的要求，为空气电池性的商业化应用提供了新的途径，同时，也为催化剂薄膜材料的功能化改进提供了一种新思路和新方法。
在上述用于金属空气电池阴极的催化剂层中，形状记忆聚合物基底可以依照本领域常规的操作预设或触发拉伸形变量或收缩形变量，而催化剂的应变量大小依赖形状记忆聚合物基底形变量的大小。本领域中可形成薄膜的催化剂，但最好能尽量选取可承受较大形变量的催化剂薄膜。催化剂可以以常规的方式(涂覆、旋涂、磁控溅射等)在具有预设形变的形状记忆聚合物基底上形成催化剂薄膜；但是，具体实施时，需要避免成膜过程中触发形状记忆聚合物发生大的形变。
在本发明提供的一种优选实施方式中，所述形状记忆聚合物基底处于具有2％-10％的预设拉伸形变量或收缩形变量的状态。
在上述用于金属空气电池阴极的催化剂层中，优选地，所述形状记忆聚合物选自热致型记忆聚合物、光致型记忆聚合物、电致型记忆聚合物、磁致型记忆聚合物或pH敏感性记忆聚合物。
在上述用于金属空气电池阴极的催化剂层中，优选地，所述热致型记忆聚合物为交联聚乙烯形状记忆材料；所述光致型记忆聚合物为苯乙烯形状记忆材料；所述电致型记忆聚合物为掺杂石墨烯的聚已内酯形状记忆材料；所述磁致型记忆聚合物为掺杂Fe3O4的聚已内酯形状记忆材料。在上述用于金属空气电池阴极的催化剂层中，优选地，所述催化剂薄膜为催化剂的纳米级薄膜。
在上述用于金属空气电池阴极的催化剂层中，优选地，所述形状记忆聚合物基底的厚度为0.5mm-5mm；所述催化剂薄膜的厚度为5nm-40nm；优选为形状记忆聚合物基底的厚1mm，催化剂薄膜厚20nm。
在上述用于金属空气电池阴极的催化剂层中，优选地，所述催化剂层中还设有导电膜，所述导电膜包裹于形状记忆聚合物基底裸露部分的外部，且导电膜的端部延伸至与所述催化剂薄膜相接触。在本发明提供的一种优选实施方式中，导电膜通过粘接方式固定于形状记忆聚合物基底上，并且选用的是具有导电性的粘接材料。
在上述用于金属空气电池阴极的催化剂层中，优选地，所述催化剂薄膜为金属纳米薄膜，所述金属为Pt、Pd、Ni、Co、Au、Ag或Pb。本发明方案通过形状记忆聚合物带动催化剂薄膜产生应变，以改变表面催化剂纳米薄膜的d带中心，进而改变禁带宽度的方案。一般情况下，“压应变”缩短禁带宽度，电子跃迁更容易，薄膜催化性能提高，常见的催化剂有Pt、Pd、Ni、Co等；而“拉应变”则是增加禁带宽度，电子跃迁需要更大的能量，跃迁困难增加，薄膜催化性能降低，常见的催化剂有Au、Ag、Pb等。因此，优选地，当所述金属纳米薄膜为Pt、Pd、Ni或Co的纳米薄膜时，所述形状记忆聚合物基底具有预设的拉伸形变量，所述催化剂薄膜被赋予压应变；当所述金属纳米薄膜为Au、Ag或Pb的纳米薄膜时，所述形状记忆聚合物基底具有预设的收缩形变量，所述催化剂薄膜被赋予拉应变。
本发明还提供了用于金属空气电池阴极的催化剂层的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)对形状记忆聚合物基底进行变形和记忆处理，得到具有潜在预设拉伸形变量或收缩形变量的形状记忆聚合物基底；
(2)在上述具有潜在预设拉伸形变量或收缩形变量的形状记忆聚合物基底上制备催化剂薄膜，制得自由态催化剂层；
(3)在一定条件环境下，对上述自由态催化剂层中的基底进行形变调控，从而使形状记忆聚合物基底产生预设的拉伸形变量或收缩形变量，并维持于该状态；此时，催化剂薄膜被赋予压应变或拉应变，制得所述用于金属空气电池阴极的催化剂层。
在上述用于金属空气电池阴极的催化剂层的制备方法中，得到具有潜在预设拉伸形变量或收缩形变量的形状记忆聚合物基底的一般过程为：将制备的聚合物薄片赋予一定形状(初始形貌)，再对已经赋予形状的聚合物薄片在一定条件下(如加热、光照、通电或者改变酸碱度等)压缩或者拉伸实施变形，去除特定条件后将这种形态可以保持住，制得具有潜在预设拉伸形变量或收缩形变量的形状记忆聚合物基底。
在上述用于金属空气电池阴极的催化剂层的制备方法中，催化剂可以以常规的方式(涂覆、旋涂、磁控溅射等)在具有潜在预设拉伸形变量或收缩形变量的形状记忆聚合物基底上形成催化剂薄膜。
在上述用于金属空气电池阴极的催化剂层的制备方法中，优选地，该方法还包括在形状记忆聚合物基底裸露部分外部覆盖导电膜的步骤。在本发明提供的一种优选实施方式中，在制备上述用于金属空气电池阴极的催化剂层时，采用以下方式在聚合物基底上形成导电膜：
按照2:1的比例添加导电剂石墨烯、粘结剂PVDF，滴加N-甲基吡咯烷酮(NMP)调节膏的粘度；将制备的膏均匀涂抹在已经完成调控的基底的未溅射催化剂薄膜的一面，边缘处膏与催化剂薄膜接触，将涂抹膏的样品粘在直径为20mm的碳纸上，载量控制在1mg/cm2左右，将粘好的碳纸放入真空度为-0.01Mpa的干燥箱，60℃干燥20h。待烘完后，取出并称重，再放入真空烘箱中60℃干燥15h。
在上述用于金属空气电池阴极的催化剂层的制备方法中，上述步骤(3)对催化剂薄膜的d带中心进行调节时，通过对附着有催化剂薄膜的形状记忆聚合物基底进行加热、光照、通电或者改变酸碱度等处理，在这个过程中，形状记忆聚合物基底可回复到初始形貌而产生拉应变或者压应变，进而对表面的催化剂薄膜施加拉应变或者压应变；进而调节催化剂纳米薄膜吸收氧气的性能，提高空气电池的性能。
本发明还提供了一种金属空气电池阴极，其中，该金属空气电池阴极包含防水层、集流体以及上述催化剂层。在本发明提供的一种优选实施方式中，集流体的两侧分别设置有催化剂层，在催化剂层的外侧覆盖有防水层。
在本发明提供的另一优选实施方式中，金属空气电池阴极的具体制备过程为：
按照2:1的比例添加导电剂石墨烯、粘结剂PVDF，滴加N-甲基吡咯烷酮(NMP)调节膏的粘度。将制备的膏均匀涂抹在已经完成调控的基底的未溅射催化剂薄膜的一面，边缘处膏与催化剂薄膜接触，将涂抹膏的样品粘在直径为20mm的碳纸上，载量控制在1mg/cm2左右，将粘好的碳纸放入真空度为-0.01Mpa的干燥箱，60℃干燥20h。待烘完后，取出并称重，再放入真空烘箱中60℃干燥15h。在催化剂薄膜的裸露面覆盖直径20mm防水层，碳纸一面覆盖直径20mm金属网集流层；并以集流层为对称面，进行同样覆盖处理，形成对称结构，即为金属空气电池阴极。
本发明另提供了一种可调节正极氧气吸收量的金属空气电池，其中，该金属空气电池包括金属阳极、电解质溶液以及上述金属空气电池阴极；所述金属阳极为铝阳极、锌阳极或锂阳极。
在本发明提供的一种实施方式中，金属空气电池装配过程如下：
阳极为直径为22mm的金属片，隔膜使用电池壳大小的玻璃纤维隔膜，电解液为KOH电解质溶液。电池装备在手套箱中进行，步骤如下：
(1)将金属片放入电池阳极盖中，并将玻璃纤维隔膜覆盖于金属片上面；
(2)将KOH电解液滴在玻璃纤维隔膜上，并再覆盖上制备好的金属空气电池阴极；
(3)把阴极盖盖上并夹紧，与相应的纸片一起放入密封袋；
(4)从手套箱中取出密封袋，用电池封口机封装电池；
(5)测试电池的开路电压，检测电池是否正常。
在上述可调节正极氧气吸收量的金属空气电池中，优选地，所述金属阳极为铝阳极时，催化剂薄膜为Pd纳米催化剂薄膜或Pt纳米催化剂薄膜。
与现有技术相比，本发明提供的方案具有以下有益效果：
(1)通常人们采用掺杂、复合、使用共催化剂、形貌控制等方法来改变或者调整催化剂薄膜的性能，但这些传统方法存在诸多不足，比如引入缺陷、形成复合中心、造价高、工艺复杂等。而本发明一种通过使用记忆聚合物来实现催化剂薄膜的弹性应变工程的方法，是首次采用记忆聚合物的拉伸或者压缩带动催化剂薄膜材料中原子间距的改变，进而调控催化剂薄膜的活性。例如，可通过将形状记忆聚合物处理使表面催化剂纳米薄膜获得压应变，当氧气或者空气进入空气电池正极时，提高了氧气得电子的速率，进而负极失电子速率相应提高，从而提高了空气电池的性能。而且，本发明提供的方法通过改变环境条件而产生变形，因此，无需维持外力即可稳定地保持拉伸或者压缩状态。可见，该方法不仅操作相对简单，而且效果持续而稳定，是一种具有实际应用价值的新途径。
(2)一般空气电池的正极材料催化剂层采用的是自由态的催化剂薄膜，本文发明一种表面负载的催化剂纳米薄膜的记忆聚合物做为电池正极材料的催化剂层，在没有牺牲电极导电能力的情况下，大大提高了催化剂纳米薄膜的催化性能，同时降低了成本，使空气电池与记忆聚合物紧密结合并产生拉伸压缩形变而提高电池性能成为可能。
(3)本发明一种通过使用记忆聚合物来实现催化剂纳米薄膜的弹性应变工程的方法，利用记忆聚合物的形状记忆效应产生的超大应变，可带动空气电池催化剂薄膜实现大变形而不易开裂。
附图说明
图1为测试例1中三种样品的实验LSV曲线图；
图2为实施例6制得的具有导电膜的催化剂层结构示意图；
图3为实施例6制得的金属空气电池阴极结构示意图；
图4为实施例6制得的金属空气电池的结构示意图见。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种以交联聚乙烯(热致型记忆聚合物)作为基底制备负载Pd催化剂纳米薄膜的催化剂层。具体制备步骤如下：
(1)将制备的交联聚乙烯薄片赋予一定形状，再对已经赋予形状的交联聚乙烯薄片在高于形状转变温度(Tg)110℃拉伸实施变形，经骤冷将试样冷却到形状转变温度以下将这种形态可以保持住，制得具有预设形变的形状记忆聚合物薄片；
(2)对经表面清洁后的形状记忆聚合物薄片进行溅射催化剂纳米薄膜；溅射过程的主要参数：Ar工作气压为5×10-1Pa；溅射电压为3000V；溅射功率为300W；在形状记忆聚合物基底上沉积厚度20nm催化剂纳米薄膜；制得自由态催化剂层；
(3)对上述自由态催化剂层进行形变调控：
将上述自由态催化剂层的基底加热至形状转变温度(Tg)110℃以上，在这个过程中，形状记忆聚合物基底产生10％的收缩，从而使沉积于基底表面的Pd催化剂纳米薄膜实际被赋予2.1％的压应变；制得具有压应变的负载Pd催化剂纳米薄膜的催化剂层。
分别对自由态催化剂层和具有压应变催化剂层进行电化学测试：
电解液为氧气饱和的0.5M H2SO4溶液，扫描速度为1.0V/s，得出实验的LSV曲线，并且基于Butler-Volmer方程、按照单电子转移电化学反应对LSV曲线进行简化拟合的结果，通过对比两组实验结果，压应变降低了Pd的d带中心，从而减弱了其表面的化学吸附作用，加速了氧还原反应中间产物的脱附，电子转移速率为0.0037cm/s，Pd纳米膜的氧还原反应活性效率提高了63％，稳定性很好。
实施例2
本实施例提供了一种以掺杂石墨烯的聚已内酯的复合材料(电致型记忆聚合物)作为基底制备负载Pd催化剂纳米薄膜的催化剂层。具体制备步骤如下：
(1)将制备的掺杂石墨烯的聚已内酯的复合材料薄片赋予一定形状，再对已经赋予形状的聚合物薄片在施加高于形状转变电压(Vg)220V拉伸实施变形，经去除电压以后将这种形态可以保持住，制得具有预设形变的形状记忆聚合物薄片；
(2)对经表面清洁后的形状记忆聚合物薄片进行溅射催化剂纳米薄膜。溅射过程的主要参数：Ar工作气压为5×10-1Pa；溅射电压为3000V；溅射功率为300W；在记忆聚合物薄片基底上沉积厚度20nm催化剂纳米薄膜，即自由态催化剂层；
(3)对上述自由态催化剂层进行形变调控：
将上述自由态催化剂层的基底通至形状转变电压(Vg)220V以上，在这个过程中，形状记忆聚合物基底产生14％的收缩，从而使沉积于基底表面的Pd催化剂纳米薄膜实际被赋予2.6％的压应变；制得具有压应变的负载Pd催化剂纳米薄膜的催化剂层。
分别对自由态催化剂层和具有压应变的催化剂层进行电化学测试：
电解液为氧气饱和的0.5M H2SO4溶液，扫描速度为1.0V/s，得出实验的LSV曲线，并且基于Butler-Volmer方程、按照单电子转移电化学反应对LSV曲线进行简化拟合的结果，通过对比两组实验结果，压应变降低了Pd的d带中心，从而减弱了其表面的化学吸附作用，加速了氧还原反应中间产物的脱附，电子转移速率为0.004cm/s，Pd纳米膜的氧还原反应活性效率提高了72％，稳定性很好。
实施例3
本实施例提供了一种掺杂Fe3O4的聚已内酯的复合材料(磁致驱动型记忆聚合物)作为基底制备负载Pd催化剂纳米薄膜的催化剂层。具体制备步骤如下：
(1)将制备的掺杂Fe3O4的聚已内酯的复合材料薄片赋予一定形状，再对已经赋予形状的聚合物薄片在施加交流强度为300KHz的磁场下拉伸实施变形，经去除磁场将这种形态可以保持住，制得具有预设形变的形状记忆聚合物薄片；
(2)对经表面清洁后的形状记忆聚合物薄片进行溅射催化剂纳米薄膜。溅射过程的主要参数：Ar工作气压为5×10-1Pa；溅射电压为3000V；溅射功率为300W；在记忆聚合物薄片基底上沉积厚度20nm催化剂纳米薄膜；制得自由态催化剂层；
(3)对上述自由态催化剂层进行形变调控：
将上述自由态催化剂层的基底置于满足交流强度大于300KHz处理，在这个过程中，形状记忆聚合物基底产生13％的收缩，从而使沉积于基底表面的Pd催化剂纳米薄膜实际被赋予2.5％的压应变；制得具有压应变的负载Pd催化剂纳米薄膜的催化剂层。
分别对自由态催化剂层和具有压应变的催化剂层进行电化学测试：
电解液为氧气饱和的0.5M H2SO4溶液，扫描速度为1.0V/s，得出实验的LSV曲线，并且基于Butler-Volmer方程、按照单电子转移电化学反应对LSV曲线进行简化拟合的结果，通过对比两组实验结果，压应变降低了Pd的d带中心，从而减弱了其表面的化学吸附作用，加速了氧还原反应中间产物的脱附，电子转移速率为0.0039cm/s，Pd纳米膜的氧还原反应活性效率提高了70％，稳定性很好。
实施例4
本实施例提供了一种以苯乙烯形状记忆聚合物(光敏感型记忆聚合物)作为基底制备负载Pd催化剂纳米薄膜的催化剂层。具体制备步骤如下：
(1)将制备的苯乙烯形状记忆聚合物薄片赋予一定形状，再对已经赋予形状的聚合物薄片在γ-射线辐照强度5×106Gy以上拉伸实施变形，经去除光照将这种形态可以保持住，制得具有预设形变的形状记忆聚合物薄片；
(2)对经表面清洁后的形状记忆聚合物薄片进行溅射催化剂纳米薄膜。溅射过程的主要参数：Ar工作气压为5×10-1Pa；溅射电压为3000V；溅射功率为300W；在记忆聚合物薄片基底上沉积厚度20nm催化剂纳米薄膜；即自由态催化剂层；
(3)对上述自由态催化剂层进行形变调控：
将上述自由态催化剂层的基底置于在γ-射线辐照强度5×106Gy以上的环境中处理，在这个过程中，记忆聚合物基底产生15％的收缩，表面Pb催化剂纳米薄膜实际被赋予2.7％的压应变；制得具有压应变的负载Pd催化剂纳米薄膜的催化剂层。
分别对自由态催化剂层和具有压应变的催化剂层进行电化学测试：
电解液为氧气饱和的0.5M H2SO4溶液，扫描速度为1.0V/s，得出实验的LSV曲线，并且基于Butler-Volmer方程、按照单电子转移电化学反应对LSV曲线进行简化拟合的结果，通过对比两组实验结果，压应变降低了Pd的d带中心，从而减弱了其表面的化学吸附作用，加速了氧还原反应中间产物的脱附，电子转移速率为0.0041cm/s，Pd纳米膜的氧还原反应活性效率提高了77％，稳定性很好。
实施例5
本实施例提供了一种以交联聚乙烯(热致型记忆聚合物)作为基底制备负载Pd催化剂纳米薄膜的催化剂层。具体制备步骤如下：
(1)将制备的交联聚乙烯薄片赋予一定形状，再对已经赋予形状的交联聚乙烯薄片在高于形状转变温度(Tg)110℃压缩实施变形，经骤冷将试样冷却到形状转变温度以下将这种形态可以保持住，制得具有预设形变的形状记忆聚合物薄片；
(2)对经表面清洁后的形状记忆聚合物薄片进行溅射催化剂纳米薄膜；溅射过程的主要参数：Ar工作气压为5×10-1Pa；溅射电压为3000V；溅射功率为300W；在形状记忆聚合物基底上沉积厚度20nm催化剂纳米薄膜；制得自由态催化剂层；
(3)对上述自由态催化剂层进行形变调控：
将上述自由催化剂层的基底加热至形状转变温度(Tg)110℃以上，在这个过程中，形状记忆聚合物基底产生10％的拉伸，从而使沉积于基底表面的Pd催化剂纳米薄膜实际被赋予2.4％的拉应变；制得具有拉应变的负载Pd催化剂纳米薄膜的催化剂层。
分别对自由态催化剂层和具有拉应变的催化剂层进行电化学测试：
电解液为氧气饱和的0.5M H2SO4溶液，扫描速度为1.0V/s，得出实验的LSV曲线，并且基于Butler-Volmer方程、按照单电子转移电化学反应对LSV曲线进行简化拟合的结果，通过对比两组实验结果，拉应变提高了Pd的d带中心，从而增加了其表面的化学吸附作用，降低了氧还原反应中间产物的脱附，电子转移速率为0.0013cm/s，Pd纳米膜的氧还原反应活性效率降低了42％。
对比例1
本对比例提供了三种状态下催化剂层的LSV测试实验，具体为：
以实施例1制得的具有2.1％压应变的Pd/交联聚乙烯的催化剂层、实施例5制得的具有2.4％拉应变的Pd/交联聚乙烯的催化剂层，以及自由态的Pd/交联聚乙烯的催化剂层为实验对象，分别进行LSV测试实验，测试曲线图见图1(依次见图1中的曲线A、B和C)。
实施例6
本实施例提供了一种空气电池，具体制备过程如下：
1、具有导电膜的催化剂层的制备
(1)将制备的交联聚乙烯薄片赋予一定形状，再对已经赋予形状的交联聚乙烯薄片在高于形状转变温度(Tg)110℃拉伸实施变形，经骤冷将试样冷却到形状转变温度以下将这种形态可以保持住，制得具有预设形变的形状记忆聚合物薄片；
(2)对经表面清洁后的形状记忆聚合物薄片进行溅射催化剂纳米薄膜；溅射过程的主要参数：Ar工作气压为5×10-1Pa；溅射电压为3000V；溅射功率为300W；在形状记忆聚合物基底上沉积厚度20nm催化剂纳米薄膜；制得自由态催化剂层；
(3)对上述自由态催化剂层进行形变调控：
将上述自由态催化剂层的基底加热至形状转变温度(Tg)110℃以上，在这个过程中，形状记忆聚合物基底产生10％的收缩，从而使沉积于基底表面的Pd催化剂纳米薄膜实际被赋予2.1％的压应变；
(4)在上述步骤(3)的基础上制备导电膜：
按照2:1的比例添加导电剂石墨烯、粘结PVDF，滴加N-甲基吡咯烷酮(NMP)调节膏的粘度；将制备的膏均匀涂抹在已经完成调控的基底的未溅射催化剂薄膜的一面，边缘处膏与催化剂薄膜接触，将涂抹膏的样品粘在直径为20mm的碳纸上，载量控制在1mg/cm2左右，将粘好的碳纸放入真空度为-0.01Mpa的干燥箱，60℃干燥20h。待烘完后，取出并称重，再放入真空烘箱中60℃干燥15h；制得具有导电膜的催化剂层，其结构示意图见图2。
2、金属空气电池阴极的制备
在催化剂薄膜的裸露面覆盖直径20mm防水层，碳纸一面覆盖直径20mm金属网集流层；并以集流层为对称面，进行同样覆盖处理，形成对称结构，即为金属空气电池阴极，其结构示意图见图3。
3、组装金属空气电池
阳极为直径为22mm的金属片，隔膜使用电池壳大小的玻璃纤维隔膜，电解液为KOH电解质溶液。电池装备在手套箱中进行，步骤如下：
(1)将金属片放入电池阳极盖中，并将玻璃纤维隔膜覆盖于金属片上面；
(2)将KOH电解液滴在玻璃纤维隔膜上，并再覆盖上制备好的阴极电极；
(3)把阴极盖盖上并夹紧，与相应的纸片一起放入密封袋；
(4)从手套箱中取出密封袋，用电池封口机封装电池；
(5)测试电池的开路电压，检测电池是否正常。
通过上述步骤获得的金属空气电池的结构示意图见图4。

Claims (10)

1.一种用于金属空气电池阴极的催化剂层，其特征在于，所述催化剂层由形状记忆聚合物基底和负载于基底上的催化剂薄膜组成；
所述形状记忆聚合物基底处于具有1％-40％的预设拉伸形变量或收缩形变量的状态；此时，所述催化剂薄膜处于被赋予1％-8％的压应变或拉应变的状态。
2.根据权利要求1所述的用于金属空气电池阴极的催化剂层，其特征在于，
所述形状记忆聚合物为热致型记忆聚合物、光致型记忆聚合物、电致型记忆聚合物、磁致型记忆聚合物或pH敏感性记忆聚合物。
3.根据权利要求2所述的用于金属空气电池阴极的催化剂层，其特征在于，所述热致型记忆聚合物为交联聚乙烯形状记忆材料；
所述光致型记忆聚合物为苯乙烯形状记忆材料；
所述电致型记忆聚合物为掺杂石墨烯的聚已内酯形状记忆材料；
所述磁致型记忆聚合物为掺杂Fe3O4的聚已内酯形状记忆材料。
4.根据权利要求1-3任一项所述的用于金属空气电池阴极的催化剂层，其特征在于，所述催化剂层中还设有导电膜，所述导电膜包裹于形状记忆聚合物基底裸露部分的外部，且导电膜的端部延伸至与所述催化剂薄膜相接触。
5.根据权利要求1-4任一项所述的用于金属空气电池阴极的催化剂层，其特征在于，所述催化剂薄膜为金属纳米薄膜，所述金属为Pt、Pd、Ni、Co、Au、Ag或Pb。
6.根据权利要求5所述的用于金属空气电池阴极的催化剂层，其特征在于，当所述金属纳米薄膜为Pt、Pd、Ni或Co的纳米薄膜时，所述形状记忆聚合物基底具有预设的拉伸形变量，所述催化剂薄膜被赋予压应变；
当所述金属纳米薄膜为Au、Ag或Pb的纳米薄膜时，所述形状记忆聚合物基底具有预设的收缩形变量，所述催化剂薄膜被赋予拉应变。
7.权利要求1-6任一项所述的用于金属空气电池阴极的催化剂层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
对形状记忆聚合物基底进行变形和记忆处理，得到具有潜在预设拉伸形变量或收缩形变量的形状记忆聚合物基底；
在上述具有潜在预设拉伸形变量或收缩形变量的形状记忆聚合物基底上制备催化剂薄膜，制得自由态催化剂层；
在一定条件环境下，对上述自由态催化剂层中的基底进行形变调控，从而使形状记忆聚合物基底产生预设的拉伸形变量或收缩形变量，并维持于该状态；此时，催化剂薄膜被赋予压应变或拉应变，制得所述用于金属空气电池阴极的催化剂层。
8.一种金属空气电池阴极，其特征在于，所述金属空气电池阴极包含防水层、集流体以及权利要求1-6任一项所述的催化剂层。
9.一种可调节正极氧气吸收量的金属空气电池，其特征在于，所述金属空气电池包括金属阳极、电解质溶液以及权利要求8所述的金属空气电池阴极；所述金属阳极为铝阳极、锌阳极或锂阳极。
10.根据权利要求9所述的可调节正极氧气吸收量的金属空气电池，其特征在于，所述金属阳极为铝阳极时，催化剂薄膜为Pd纳米催化剂薄膜或Pt纳米催化剂薄膜。
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