CN110649244A - 一种碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极及其辊压成型制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极及其辊压成型制备方法和应用,属于Li/SOCl2电池正极材料制备技术领域。采用辊压成型的方法,制备出碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极作为Li/SOCl2电池正极材料。该方法具有操作简单、周期短、能耗低、重复性好,产率高等特点。将催化材料直接与碳电极复合,增大催化剂参与反应的程度,使得正极反应物SOCl2的还原反应更加反应充分。同时,碳纳米管与乙炔黑的复合,形成了一个快速导电网络结构,有利于电子的传输,降低了电池内部阻抗。电池实际放电比能量比不加催化剂时提高了206%,能够作为一种Li/SOCl2电池很好的正极催化材料。
Description
技术领域
本发明属于Li/SOCl2电池正极制备技术领域,具体涉及一种碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极及其辊压成型制备方法和应用。
背景技术
锂/亚硫酰氯(Li/SOCl2)电池是一种具有高比能量590W h/kg,高输出电压3.65V的一次性储能装置。同时,电池还具有耐高低温,长储存寿命和耐高冲击和振动的特点。[吴有恒,胡中华,许昕.锂/亚硫酰氯电池应用与发展概述[J].科学技术创新,2018(20):125-127.]这种特殊性质的锂一次性电池通常被作为特种电源,在航天航空、石油开采、民用仪表仪器等领域广泛使用。然而,在使用过程中,电池存在实际放电比能量小于理论比能量的问题。为了解决此问题,我们尝试添加催化剂来加快电池的化学反应,提高电池放电比能量。
卟啉及其衍生物是一类由四个吡咯类亚基的α-碳原子通过次甲基桥(=CH-)互联而形成的大分子杂环化合物,在结构上呈现封闭连续的18π电子共轭体系,是良好的电子给体,其具有优异的催化活性,并且广泛存在于血红素(铁卟啉)、叶绿素(镁卟啉)、维生素B12、过氧化氢酶等有机生物分子中。四吡啶并卟啉与卟啉的结构相似,将卟吩环四个meso位碳原子换作氮原子,然后在四个吡咯环的外侧稠和上四个吡啶环,又称作四吡啶并四氮杂卟啉。其也同样具有18π电子共轭体系和强烈的芳香性,而且由于周边四个吡啶环也参加了共轭,所以其共轭体系较卟啉大。[Anjani Kumar Pandey,Sarnali Sanfui,Firoz ShahTuglak Khan,Sankar Prasad Rath.Axial ligand mediated switchable rotarymotions in a ferrocene-bridged diiron(III)porphyrin dimer[J].Journal ofOrganometallic Chemistry,2019,894.]金属四吡啶并卟啉是良好的电子给体和电子受体。在以前的研究报告中,块状的四吡啶并卟啉(M=Mn2+,Ni2+,Fe2+,Co2+)加入电解液中作为锂亚硫酰氯电池正极催化剂时,其实际比能量提高大约60%~120%。[Xu Z,Zhang G,CaoZ,et al.Effect of N atoms in the backbone of metal phthalocyanine derivativeson their catalytic activity to lithium battery[J].Journal of MolecularCatalysis A Chemical,2010,318(1-2):101-105.]碳纳米管具有很好的导电性,并具有充当复合材料载体的作用。
在目前添加催化剂的方法中,一般采用添加到电解液中。但是,此类操作方法会造成催化剂不能充分催化反应的问题。如何解决该问题仍是目前技术课题的一个技术难点。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极及其辊压成型制备方法和应用,该方法具有操作简单、周期短、能耗低、稳定性好、产率高等特点,经该方法制得的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极作为Li/SOCl2电池正极材料,使得催化材料得到了充分的反应,提高了电池实际输出比能量。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明公开了一种碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的辊压成型制备方法,包括以下步骤:
1)取羧基化多壁碳纳米管、2,3-吡啶二羧酸、尿素、MnCl2·4H2O及(NH4)6Mo7O24·4H2O,充分研磨均匀,制得混合物;
2)在空气气氛下,将步骤1)制得的混合物经过热处理后,清洗、干燥,制得四吡啶并卟啉锰/碳纳米管复合材料;
3)用蒸馏水将聚四氟乙烯乳液稀释,搅拌均匀,制得聚四氟乙烯稀释液;
4)将步骤2)制得的四吡啶并卟啉锰/碳纳米管复合材料与乙炔黑混合,充分研磨均匀,然后向混合体系中分次逐步加入步骤3)制得的聚四氟乙烯稀释液,充分搅拌均匀,制得混料,将混料干燥,制得纤维化混料;
5)将步骤4)制得的纤维化混料在异丙醇或无水乙醇中浸泡10~50min后取出,压实后分切,制得阴极混料;
6)将步骤5)分切好的阴极混料采用辊压法进行分步压制,制得碳电极,将碳电极烘干后分切,制得碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极。
优选地,步骤1)中,羧基化多壁碳纳米管、2,3-吡啶二羧酸、尿素、MnCl2·4H2O及(NH4)6Mo7O24·4H2O的质量比为(0.3~1.2):(0.5~2.5):(1.5~4):(0.8~2.5):(0.05~0.8)。
优选地,步骤2)中,热处理是将混合物以5~15℃/min的升温速度,自室温起升至100~160℃,保温1~2h,然后以5~15℃/min的升温速率,加热到200~350℃,保温2~4h,冷却至室温。
优选地,步骤3)中,配制聚四氟乙烯稀释液时,聚四氟乙烯乳液和蒸馏水的质量比为(0.02~0.15):(3~15)。
优选地,步骤4)中,四吡啶并卟啉锰/碳纳米管复合材料和乙炔黑的质量比为(1~2):(23~24)。
优选地,步骤2)中,所述的清洗,是将产物依次用蒸馏水冲洗6~10次,丙酮冲洗2~3次,乙醇冲洗3~5次;所述的干燥,是在真空环境下,在50~120℃下,干燥8~16h。
优选地,步骤4)中所述干燥是在100~280℃干燥12~72h;步骤6)所述的烘干,是在80~140℃下烘干1~6h。
优选地,步骤6)所述的分步压制,是将分切好的阴极混料用对辊辊压机依次进行2mm、1.5mm、1mm和0.75mm的压制,制得厚度为0.75mm的碳电极。
本发明还公开了采用上述的辊压成型制备方法制得的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极。
本发明还公开了采用上述的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极作为Li/SOCl2电池正极材料的应用。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明公开的采用辊压成型法制备碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的方法,采用辊压成型的方法,制备出电极材料,该方法具有操作简单、周期短、能耗低、重复性好、产率高等特点,有效将催化材料和电极材料复合,解决了直接将催化剂添加到电解液中而造成的催化剂不能充分催化反应的问题。经本发明方法辊压成型的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极材料,使得催化材料反应更加充分,碳纳米管与乙炔黑的复合,形成了一个快速导电网络结构,有利于电子的传输,降低了电池内部阻抗,提高了电池放电过程中的放电时间和比能量。
优选地,使用两种醇的目的是浸泡混料,使混料具备黏性,且所用两种醇浸泡效果最好、经济实用。
经本发明方法制得的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极作为Li/SOCl2电池正极材料,表现出较高的催化活性,较长的放电时间,电池实际放电比能量比不加催化剂时提高了206%,能够作为一种Li/SOCl2电池很好的正极催化材料。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的FT-IR图;
图2为本发明实施例1制备的MnTAP/CNTs的电镜照片;其中,a为制备的MnTAP/CNTs的SEM图;b为制备的MnTAP/CNTs的TEM图;
图3为本发明实施例3制备的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的的SEM图;
图4为加入实施例5制得的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的Li/SOCl2电池的放电比能量图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
一种碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的辊压成型制备方法,包括以下步骤:
1)取羧基化多壁碳纳米管(AF-MWCNTs)0.1g、2,3-吡啶二羧酸0.8g、尿素1.2g、MnCl2·4H2O 1.5g及(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.1g,充分研磨均匀,制得混合物;
2)将混合物置于坩埚中,在马弗中进行热处理。在空气气氛中以10℃/min的升温速度,自室温起升至150℃,保温1h,然后以10℃/min的升温速率,加热到260℃,保温3h,冷却至室温;
3)将步骤2)处理后的产物依次用蒸馏水冲洗5次,丙酮冲洗3次,乙醇冲洗4次,然后真空环境下,在70℃下,干燥10h,制得Li/SOCl2电池正极催化材料四吡啶并卟啉锰/碳纳米管复合材料(MnTAP/CNTs);
4)向烧杯中加入5g去离子水,然后加入0.05g PTFE乳液,搅拌稀释均匀后待用;
5)将步骤3)制得的MnTAP/CNTs与乙炔黑以1:23混合加入研钵内,然后将混合好的PTFE稀释液分次逐步加入研钵中,搅拌均匀后转入蒸发皿中;
6)将装好阴极混料的蒸发皿放入电热鼓风干燥箱中,在250℃烘制18h,使混料纤维化;
7)将纤维化成型的阴极混料放入烧杯中,加入异丙醇或无水乙醇浸泡液,浸泡液加入量要完全浸泡阴极混料,浸泡约40min后,倒出多余的浸泡液,然后将混料置于研钵中用钵杵将混料压实,将压实的混料按量分切后备用;
8)将分切好的阴极混料用对辊辊压机进行4次分步压制,用对辊辊压机依次进行2mm、1.5mm、1mm和0.75mm压制,最后得到0.75mm厚的碳电极(用测厚仪测量);
9)然后在80℃下烘干3h,去除浸泡液。阴极大片烘制好后,将其用切片机分切备用。
图1为实施例1制备的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的FT-IR图,参见图1,通过比较产物FT-IR图样显示出在731、793、936cm-1证明N掺杂酞菁锰骨架的存在,1700cm-1可以推测出部分是碳纳米管的羧基与四吡啶并卟啉锰构成的Mn-O配位键。
图2为实施例1制备的MnTAP/CNTs的电镜照片,参见图2,从a中可以看出MnTAP/CNTs为丝状结构,表面长有纳米级MnTAP;从b中可以看出表面的MnTAP厚度为5~15nm。
实施例2
一种碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的辊压成型制备方法,包括以下步骤:
1)取羧基化多壁碳纳米管(AF-MWCNTs)0.2g、2,3-吡啶二羧酸0.8g、尿素1.5g、MnCl2·4H2O 1.6g及(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.05g,充分研磨均匀,制得混合物;
2)将混合物置于坩埚中,在马弗中进行热处理。在空气气氛中以10℃/min的升温速度,自室温起升至140℃,保温2h,然后以5℃/min的升温速率,加热到240℃,保温2h,冷却至室温;
3)将步骤2)处理后的产物依次用蒸馏水冲洗5次,丙酮冲洗3次,乙醇冲洗4次,然后真空环境下,在70℃下,干燥10h,制得Li/SOCl2电池正极催化材料四吡啶并卟啉锰/碳纳米管复合材料(MnTAP/CNTs);
4)向烧杯中加入8g去离子水,然后加入0.1g PTFE乳液,搅拌稀释均匀后待用;
5)将步骤3)制得的MnTAP/CNTs与乙炔黑以1:24混合加入研钵内,然后将混合好的PTFE稀释液分次逐步加入研钵中,搅拌均匀后转入蒸发皿中;
6)将装好阴极混料的蒸发皿放入电热鼓风干燥箱中,在260℃烘制24h,使混料纤维化;
7)将纤维化成型的阴极混料放入烧杯中,加入异丙醇或无水乙醇浸泡液,浸泡液加入量要完全浸泡阴极混料,浸泡约30min后,倒出多余的浸泡液,然后将混料置于研钵中用钵杵将混料压实,将压实的混料按量分切后备用;
8)将分切好的阴极混料用对辊辊压机进行4次分步压制,用对辊辊压机依次进行2mm、1.5mm、1mm和0.75mm压制,最后得到0.75mm厚的碳电极(用测厚仪测量);
9)然后在80℃下烘干3h,去除浸泡液。阴极大片烘制好后,将其用切片机分切备用。
实施例3
一种碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的辊压成型制备方法,包括以下步骤:
1)取羧基化多壁碳纳米管(AF-MWCNTs)0.1g、2,3-吡啶二羧酸0.8g、尿素1.2g、MnCl2·4H2O 1.5g及(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.1g,充分研磨均匀,制得混合物;
2)将混合物置于坩埚中,在马弗中进行热处理。在空气气氛中以10℃/min的升温速度,自室温起升至140℃,保温1h,然后以10℃/min的升温速率,加热到280℃,保温3h,冷却至室温;
3)将步骤2)处理后的产物依次用蒸馏水冲洗5次,丙酮冲洗3次,乙醇冲洗4次,然后真空环境下,在70℃下,干燥10h,制得Li/SOCl2电池正极催化材料四吡啶并卟啉锰/碳纳米管复合材料(MnTAP/CNTs);
4)向烧杯中加入5g去离子水,然后加入0.08g PTFE乳液,搅拌稀释均匀后待用;
5)将步骤3)制得的MnTAP/CNTs与乙炔黑以2:23混合加入研钵内,然后将混合好的PTFE稀释液分次逐步加入研钵中,搅拌均匀后转入蒸发皿中;
6)将装好阴极混料的蒸发皿放入电热鼓风干燥箱中,在200℃烘制18h,使混料纤维化;
7)将纤维化成型的阴极混料放入烧杯中,加入异丙醇或无水乙醇浸泡液,浸泡液加入量要完全浸泡阴极混料,浸泡约30min后,倒出多余的浸泡液,然后将混料置于研钵中用钵杵将混料压实,将压实的混料按量分切后备用;
8)将分切好的阴极混料用对辊辊压机进行4次分步压制,用对辊辊压机依次进行2mm、1.5mm、1mm和0.75mm压制,最后得到0.75mm厚的碳电极(用测厚仪测量);
9)然后在80℃下烘干3h,去除浸泡液。阴极大片烘制好后,将其用切片机分切备用。
图3为实施例3制备的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的的SEM图,参见图3,可以看出,复合碳电极是一种多孔结构,与碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合之后,构成了一种多孔网状结构,有利于电子传输,电池内部化学反应的充分进行。
实施例4
一种碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的辊压成型制备方法,包括以下步骤:
1)取羧基化多壁碳纳米管(AF-MWCNTs)0.2g、2,3-吡啶二羧酸1.2g、尿素2.0g、MnCl2·4H2O 1.8g及(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.1g,充分研磨均匀,制得混合物;
2)将混合物置于坩埚中,在马弗中进行热处理。在空气气氛中以10℃/min的升温速度,自室温起升至140℃,保温1h,然后以10℃/min的升温速率,加热到270℃,保温3h,冷却至室温;
3)将步骤2)处理后的产物依次用蒸馏水冲洗5次,丙酮冲洗3次,乙醇冲洗4次,然后真空环境下,在70℃下,干燥10h,制得Li/SOCl2电池正极催化材料四吡啶并卟啉锰/碳纳米管复合材料(MnTAP/CNTs);
4)向烧杯中加入5g去离子水,然后加入0.05g PTFE乳液,搅拌稀释均匀后待用;
5)将步骤3)制得的MnTAP/CNTs与乙炔黑以1.5:23混合加入研钵内,然后将混合好的PTFE稀释液分次逐步加入研钵中,搅拌均匀后转入蒸发皿中;
6)将装好阴极混料的蒸发皿放入电热鼓风干燥箱中,在200℃烘制18h,使混料纤维化;
7)将纤维化成型的阴极混料放入烧杯中,加入异丙醇或无水乙醇浸泡液,浸泡液加入量要完全浸泡阴极混料,浸泡约60min后,倒出多余的浸泡液,然后将混料置于研钵中用钵杵将混料压实,将压实的混料按量分切后备用;
8)将分切好的阴极混料用对辊辊压机进行4次分步压制,用对辊辊压机依次进行2mm、1.5mm、1mm和0.75mm压制,最后得到0.75mm厚的碳电极(用测厚仪测量);
9)然后在80℃下烘干3h,去除浸泡液。阴极大片烘制好后,将其用切片机分切备用。
实施例5
一种碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的辊压成型制备方法,包括以下步骤:
1)取羧基化多壁碳纳米管(AF-MWCNTs)0.2g、2,3-吡啶二羧酸1.2g、尿素1.2g、MnCl2·4H2O 1.5g及(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.1g,充分研磨均匀,制得混合物;
2)将混合物置于坩埚中,在马弗中进行热处理。在空气气氛中以10℃/min的升温速度,自室温起升至170℃,保温0.5h,然后以10℃/min的升温速率,加热到280℃,保温3h,冷却至室温;
3)将步骤2)处理后的产物依次用蒸馏水冲洗5次,丙酮冲洗3次,乙醇冲洗4次,然后真空环境下,在70℃下,干燥10h,制得Li/SOCl2电池正极催化材料四吡啶并卟啉锰/碳纳米管复合材料(MnTAP/CNTs);
4)向烧杯中加入5g去离子水,然后加入0.05g PTFE乳液,搅拌稀释均匀后待用;
5)将步骤3)制得的MnTAP/CNTs与乙炔黑以2:24混合加入研钵内,然后将混合好的PTFE稀释液分次逐步加入研钵中,搅拌均匀后转入蒸发皿中;
6)将装好阴极混料的蒸发皿放入电热鼓风干燥箱中,在260℃烘制18h,使混料纤维化;
7)将纤维化成型的阴极混料放入烧杯中,加入异丙醇或无水乙醇浸泡液,浸泡液加入量要完全浸泡阴极混料,浸泡约20min后,倒出多余的浸泡液,然后将混料置于研钵中用钵杵将混料压实,将压实的混料按量分切后备用;
8)将分切好的阴极混料用对辊辊压机进行4次分步压制,用对辊辊压机依次进行2mm、1.5mm、1mm 0.75mm压制,最后得到0.75mm厚的碳电极(用测厚仪测量);
9)然后在80℃下烘干3h,去除浸泡液。阴极大片烘制好后,将其用切片机分切备用。
图4为实施例5制得的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的Li/SOCl2电池的放电比能量图。参见图4,碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的Li/SOCl2电池实际放电比能量比不加催化剂时提高了206%。
综上所述,本发明方法设计思路新颖,采用辊压成型的方法,制备出碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极作为Li/SOCl2电池正极材料。该方法具有操作简单、周期短、能耗低、重复性好,产率高等特点。将催化材料直接与碳电极复合,使得正极反应物SOCl2的还原反应更加反应充分。同时,碳纳米管与乙炔黑的复合,形成了一个快速导电网络结构,有利于电子的传输,降低了电池内部阻抗。电池实际放电比能量比不加催化剂时提高了206%,能够作为一种Li/SOCl2电池很好的正极催化材料。
Claims (10)
1.一种碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的辊压成型制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)取羧基化多壁碳纳米管、2,3-吡啶二羧酸、尿素、MnCl2·4H2O及(NH4)6Mo7O24·4H2O,充分研磨均匀,制得混合物;
2)在空气气氛下,将步骤1)制得的混合物经过热处理后,清洗、干燥,制得四吡啶并卟啉锰/碳纳米管复合材料;
3)用蒸馏水将聚四氟乙烯乳液稀释,搅拌均匀,制得聚四氟乙烯稀释液;
4)将步骤2)制得的四吡啶并卟啉锰/碳纳米管复合材料与乙炔黑混合,充分研磨均匀,然后向混合体系中分次逐步加入步骤3)制得的聚四氟乙烯稀释液,充分搅拌均匀,制得混料,将混料干燥,制得纤维化混料;
5)将步骤4)制得的纤维化混料在异丙醇或无水乙醇中浸泡10~50min后取出,压实后分切,制得阴极混料;
6)将步骤5)分切好的阴极混料采用辊压法进行分步压制,制得碳电极,将碳电极烘干后分切,制得碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的辊压成型制备方法,其特征在于,步骤1)中,羧基化多壁碳纳米管、2,3-吡啶二羧酸、尿素、MnCl2·4H2O及(NH4)6Mo7O24·4H2O的质量比为(0.3~1.2):(0.5~2.5):(1.5~4):(0.8~2.5):(0.05~0.8)。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的辊压成型制备方法,其特征在于,步骤2)中,热处理是将混合物以5~15℃/min的升温速度,自室温起升至100~160℃,保温1~2h,然后以5~15℃/min的升温速率,加热到200~350℃,保温2~4h,冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的辊压成型制备方法,其特征在于,步骤3)中,配制聚四氟乙烯稀释液时,聚四氟乙烯乳液和蒸馏水的质量比为(0.02~0.15):(3~15)。
5.根据权利要求1所述的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的辊压成型制备方法,其特征在于,步骤4)中,四吡啶并卟啉锰/碳纳米管复合材料和乙炔黑的质量比为(1~2):(23~24)。
6.根据权利要求1所述的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的辊压成型制备方法,其特征在于,步骤2)中,所述的清洗,是将产物依次用蒸馏水冲洗6~10次,丙酮冲洗2~3次,乙醇冲洗3~5次;所述的干燥,是在真空环境下,在50~120℃下,干燥8~16h。
7.根据权利要求1所述的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的辊压成型制备方法,其特征在于,步骤4)中所述干燥是在100~280℃干燥12~72h;步骤6)所述的烘干,是在80~140℃下烘干1~6h。
8.根据权利要求1所述的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极的辊压成型制备方法,其特征在于,步骤6)所述的分步压制,是将分切好的阴极混料用对辊辊压机依次进行2mm、1.5mm、1mm和0.75mm的压制,制得厚度为0.75mm的碳电极。
9.权利要求1~8中任意一项所述的辊压成型制备方法制得的碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极。
10.权利要求9所述碳纳米管支撑四吡啶并卟啉锰复合碳电极作为Li/SOCl2电池正极材料的应用。
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