CN117638329A - 一种原子级分散镍基催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及储能材料技术领域，尤其涉及一种原子级分散镍基催化剂及其制备方法与应用，原子级分散镍基催化剂包括：基体、负载于所述基体上的金属镍单原子和/或镍团簇；所述基体为还原的氧化石墨烯；所述还原的氧化石墨烯掺杂有氮元素。本发明利用金属镍单原子和/或镍团簇活性位点均匀地分布于碳基体之间，同时引入氮元素提高了材料内部缺陷程度，与金属镍位点形成配位结构，产生区域活性，增强了材料催化性能及对锂的亲和性。并且所述原子级分散镍基催化剂具有丰富的孔隙结构和比表面积，增大了电极与电解液间的接触面积，缩短了离子和电子的传输路径，有效的改善了三相界面问题，同时也为放电产物的容纳提供了更多的位点。
Description
技术领域
本发明涉及储能材料技术领域，尤其涉及一种原子级分散镍基催化剂及其制备方法与应用。
背景技术
在传统化石能源逐渐枯竭的背景下，锂氧气电池因其极高的理论比能量密度(3500Wh kg-1)吸引了研究人员越来越多的关注，其以超过现有最先进的锂离子电池10倍的能量密度而被认为是最有前途的新一代储能系统，可广泛应用于如电动汽车在内的大规模或长期电力消耗设备。
典型的非水系锂氧气电池由金属锂负极和包括气体扩散层和催化剂在内的多孔氧气正极以及含锂离子的电解质组成。在电池放电过程中，体系发生氧还原反应，即锂离子从锂金属负极剥离并扩散到正极一侧，与通过气体扩散层的氧气发生化学反应，产生中间产物LiO2和最终放电产物Li2O2；而作为二次电池，在锂氧气电池随后的充电过程中，发生析氧反应，即放电产物Li2O2可逆地转化为锂离子和氧气。
作为一种独特的半开放式电池系统，锂氧气的发展实际上面临着巨大的阻碍，如负极方面：锂枝晶的形成、死锂的产生以及电解质/空气等对锂金属的严重侵蚀；电解质方面：产生的中间产物超自由基离子对电解质的亲核攻击；正极方面：缓慢的氧还原/氧析出反应动力学、放电产物累积造成的钝化等等。
为了解决上述问题，在正极方面，研究人员致力于探索出具有较好氧还原/氧析出反应动力学的高效电催化剂，目前的成果主要集中在碳材料、贵金属、过渡金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物和金属碳化物等方面；同时在负极方面，也提出了各种稳定策略，如构建可替代的新型含锂负极、施加电解质添加剂/改性和构建保护层等，近年来，具有包括原子利用率高、不饱和配位结构等特点在内的单原子催化剂在催化领域引起了极大的关注，已经广泛应用于电池、电催化、生物医学等领域。作为一种催化反应决定的体系，单原子催化剂在锂氧气电池中的应用研究已经开始，结果显示该电池体系的电化学性能得到了显著改善。如，中国专利文献CN111224087A公开了一种负载过渡金属单原子的碳复合材料及其制备方法与应用，其作为正极材料用于锂氧气电池，能够降低充放电过电位，提高电池能量转换效率，抑制副反应，提升电池的循环稳定性。又如，中国专利文献CN116230973A公开了一种锂空气电池Co-Pd双原子正极催化剂及其制备方法和应用，使用该正极材料构建的锂氧气电池表现出低的充电平台(3.2V)和低的过电位(0.6V)，解决了锂氧气电池普遍存在的过电位高问题(1.5V)；并且具有高的放电平台(2.8V)和良好的放电容量(15000mAh g-1)。同时，单原子催化剂也被应用于电池负极一侧。如，中国专利文献CN116374997A公开了一种碳基复合负极材料及其制备方法与应用，该发明将人工SEI膜包覆在沉积有氟的碳纳米基片表面，同时利用磁控溅射或静电纺丝或原位生长技术在人工SEI膜表面添加单原子催化剂，使负极稳定有效发挥容量的同时也延长了电池使用寿命。
然而，在此基础上报道的锂氧气电池其电化学性能仍不令人满意，距离实际应用尚有较大差距，同时锂氧气电池负极因复杂的体系也面临着各种各样的问题。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种原子级分散镍基催化剂及其制备方法与应用，旨在解决现有电催化剂无法有效地提高锂氧气电池正极和负极侧的电化学性能等问题。
本发明的技术方案如下：
一种原子级分散镍基催化剂，包括：基体、负载于所述基体上的金属镍单原子和/或镍团簇；所述基体为还原的氧化石墨烯；所述还原的氧化石墨烯掺杂有氮元素。
所述的原子级分散镍基催化剂，其中，所述还原的氧化石墨烯呈颗粒状；所述还原的氧化石墨烯的粒径为0.2μm-10μm。
所述的原子级分散镍基催化剂，其中，所述镍团簇的总尺寸和所述金属镍单原子的尺寸均小于1nm。
所述的原子级分散镍基催化剂，其中，所述镍单原子和所述镍团簇的总质量为所述原子级分散镍基催化剂的0.038wt％-0.811wt％。
所述的原子级分散镍基催化剂，其中，所述还原的氧化石墨烯中掺杂的氮元素的质量百分比为1.37wt％-3.20wt％。
一种原子级分散镍基催化剂的制备方法，包括步骤：
将镍盐溶液、水、氧化石墨烯水溶液进行混合，得到前驱体溶液；
将所述前驱体溶液转移至反应釜中进行水热反应，得到黑色凝胶；
在含氮元素的气氛下对所述黑色凝胶进行退火处理，得到所述原子级分散镍基催化剂。
所述的原子级分散镍基催化剂的制备方法，其中，所述水热反应的温度为170℃-190℃，所述水热反应的时间为5h-7h。
所述的原子级分散镍基催化剂的制备方法，其中，所述退火处理的温度为850℃-950℃，所述退火处理的时间为0.5h-1.5h，所述退火处理的升温速率为4℃min-1-6℃min-1。
一种原子级分散镍基催化剂在锂氧气电池正极材料中的应用。
一种原子级分散镍基催化剂在锂氧气电池负极材料中的应用。
有益效果：本发明提供一种原子级分散镍基催化剂及其制备方法与应用，原子级分散镍基催化剂包括：基体、负载于所述基体上的金属镍单原子和/或镍团簇；所述基体为还原的氧化石墨烯；所述还原的氧化石墨烯掺杂有氮元素。本发明利用金属镍单原子和/或镍团簇活性位点均匀地分布于碳基体之间，同时引入氮元素提高了材料内部缺陷程度，与金属镍位点形成配位结构，产生区域活性，增强了材料催化性能及对锂的亲和性。并且所述原子级分散镍基催化剂具有丰富的孔隙结构和比表面积，增大了电极与电解液间的接触面积，缩短了离子和电子的传输路径，有效的改善了三相界面问题，同时也为放电产物的容纳提供了更多的位点。
附图说明
图1为本发明一种原子级分散镍基催化剂制备方法的工艺流程示意图；
图2为实施例1-4制备的原子级分散镍基催化剂的球差透射电镜图；
图3为实施例2制备的原子级分散镍基催化剂的扩展X射线吸收精细结构图；
图4为实施例1-4制备原子级分散镍基催化剂催化正极的锂氧气电池的首圈放电容量曲线图；
图5为实施例2制备原子级分散镍基催化剂催化正极的锂氧气电池的充放电性能曲线图；
图6为实施例2制备原子级分散镍基催化剂催化正极的锂氧气电池的循环稳定性曲线图；
图7为实施例2制备原子级分散镍基催化剂催化正极与复合锂金属负极的锂氧气电池的循环稳定性曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种原子级分散镍基催化剂及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明提供一种原子级分散镍基催化剂，包括：基体、负载于所述基体上的金属镍单原子和/或镍团簇；所述基体为还原的氧化石墨烯；所述还原的氧化石墨烯掺杂有氮元素。
本实施方式中，通过将金属镍单原子和/或镍团簇活性位点均匀地分布于碳基体之间，同时引入氮元素提高材料内部缺陷程度，使得金属镍与氮元素形成配位结构，产生区域活性，增强材料催化性能及对锂的亲和性。并且，本发明所提供的原子级分散镍基催化剂具有丰富的孔隙结构和比表面积，增大了电极与电解液间的接触面积，缩短了离子和电子的传输途径，有效的改善了三相界面问题，同时也为放电产物的容纳提供了更多的位点。
具体地，将所述原子级分散镍基催化剂作为正极材料用于锂氧气电池，能够显著降低充电过电位，增加放电容量，提升电池的循环寿命；同时，将其应用于锂金属制备而成的复合锂金属负极，赋予了锂氧气电池良好的高倍率循环稳定性，有效的延缓了电池体系对锂金属的腐蚀，使安全性得到提高。因此，所述原子级分散镍基催化剂同时解决或抑制了锂氧气电池正极和福利侧的问题，且成本经济，对于实现其实际应用具有极其重要的现实意义。
在一些实施方式中，所述还原的氧化石墨烯呈颗粒状；所述还原的氧化石墨烯的粒径为0.2μm-10μm，将所述还原的氧化石墨烯的粒径控制在0.2μm-10μm之间，可以有效地使得所述原子级分散镍基催化剂具有丰富的孔隙结构和比表面积，从而增大了电极与电解液间的接触面积，进而可缩短离子和电子的传输路径，有效改善三相界面问题，同时也为放电产物的容纳提供了更多的位点。
在一些实施方式中，所述原子级分散镍基催化剂依据催化活性位点的含量差异可以为但不限于Ni1-N/rGO、Ni2-N/rGO、Ni3-N/rGO、Ni4-N/rGO。
在一些实施方式中，所述镍团簇的总尺寸和所述金属镍单原子的尺寸均小于1nm，较小的尺寸赋予了其较大的原子利用率以及较高的催化活性等特点。
在一些实施方式中，所述镍单原子和所述镍团簇的总质量为所述原子级分散镍基催化剂的0.038wt％-0.811wt％。不同的质量分数对应着元素不同的存在形式状态。在所述基体上负载极低含量的金属镍单原子和/或镍团簇，在所述原子级分散镍基催化剂作为正极材料用于锂氧气电池时，能够显著降低充电过电位，增加放电容量，提升电池的循环寿命；而将原子级分散镍基催化剂负载于锂金属表面制备而成的复合锂金属负极时，可赋予锂氧气电池良好的高倍率性能循环稳定性，有效地延缓了电池体系对锂金属的腐蚀，使安全性得到提高。
在一些实施方式中，所述还原的氧化石墨烯中掺杂的氮元素的质量百分比为1.37wt％-3.20wt％，在还原的氧化石墨烯中掺杂质量含量为1.37wt％-3.20wt％的氮元素，可以有效提高碳材料的内部缺陷程度，与金属镍位点形成配位结构，从而产生区域活性，进而增强了材料催化性能及对锂的亲和性。
除此之外，如图1所示，本发明还提供一种原子级分散镍基催化剂的制备方法，包括步骤：
步骤S10：将镍盐溶液、水、氧化石墨烯水溶液进行混合，得到前驱体溶液；
步骤S20：将所述前驱体溶液转移至反应釜中进行水热反应，得到黑色凝胶；
步骤S30：在含氮元素的气氛下对所述黑色凝胶进行退火处理，得到所述原子级分散镍基催化剂。
本实施方式中，以镍盐和石墨烯碳材料为原料，采用简单的水热反应-高温热还原处理方法，得到金属单原子/团簇的碳复合材料，即所述原子级分散镍基催化剂。利用该方法制得的原子级分散镍基催化剂，金属镍位点均匀地分布于还原的氧化石墨烯之间，同时引入氮元素，提高了材料内部缺陷程度，与金属镍位点形成配位结构，产生区域活性，增强了材料催化性能及对锂的亲和性。
进一步地，本发明提供的制备方法具有制备工艺简单易控、能耗低、原材料来源广泛、成本低廉、绿色环保等优点，可以依据前驱体含量来调控材料中活性位点的存在形式，因此还具备灵活、实践性强等特点，实现了原子级分散镍基催化剂的批量、快速合成，适合大规模工业化生产；此外，所述原子级分散镍基催化剂首次同时应用于锂氧气电池正极和负极侧，取得了较好的效果，具有明显的产业化应用前景。
具体地，利用该制备方法制得的原子级分散镍基催化剂具有丰富的孔隙结构和比表面积，增大了电极与电解液间的接触面积，缩短了离子和电子的传输路径，有效的改善了三相界面问题，同时也为放电产物的容纳提供了更多的位点。
在一些实施方式中，所述步骤S10前，还包括：对所述氧化石墨烯水溶液进行超声3h的预处理。
在一些实施方式中，所述水热反应的温度为170℃-190℃，所述水热反应的时间为5h-7h。
在一种优选地实施方式中，所述水热反应的温度为180℃，所述水热反应的时间为6h。
在一些实施方式中，所述退火处理的温度为850℃-950℃，所述退火处理的时间为0.5h-1.5h，所述退火处理的升温速率为4℃min-1-6℃min-1。
在一种优选地实施方式中，所述退火处理的温度为900℃，所述退火处理的时间为1h，所述退火处理的升温速率为4℃min-1-6℃min-1。
在该水热反应条件和退火处理条件下，可以得到金属镍位点均匀地分布于基体之间的原子级分散镍基催化剂。
在一些实施方式中，所述步骤S30中，所述退火处理在Ar和NH3混合气体的气氛下进行，且混合气体流速控制在100ml min-1。优选地，所述退火处理的气氛为Ar(150sccm)和NH3(50sccm)混合气体。
具体地，所述原子级分散镍基催化剂的制备方法包括步骤：将一定量的镍盐溶液与去离子水按一定比例加入预处理后的氧化石墨烯水溶液中，经超声、搅拌后得到均一稳定的前驱体溶液；然后将所述前驱体溶液转移至水热反应釜，经水热反应及去离子浸泡清洗三次后得到黑色凝胶；最后将所述黑色凝胶冷冻干燥72h以除去夹杂的水分后，转移至管式炉中进行高温退火处理，冷却至室温，得到所述原子级分散镍基催化剂。
另外，本发明还提供一种原子级分散镍基催化剂在锂氧气电池正极材料中的应用。
以及，一种原子级分散镍基催化剂在锂氧气电池负极材料中的应用。
本实施方式中，当所述原子级分散镍基催化剂作为催化正极时，加快了氧还原/氧析出反应动力学，提高了过氧化锂的产生/分解效率，有利于提升锂氧气电池的电化学性能。在200mA/g的电流下，具有催化正极的锂氧气电池首圈放电容量高达18000mAh/g，同时过电位仅为1.08V，在500mAh/g-200mA/g限制条件下可稳定循环225圈。而当所述原子级分散镍基催化剂涂抹于锂金属表面制备成复合锂金属作为负极材料时，阻碍了锂氧气电池电解液与锂金属的直接接触，减小了电解液及中间产物对锂的腐蚀，赋予了锂氧气电池良好的高倍率循环稳定性，使其在500mAh/g-500mA/g高电流限制条件下可稳定循环超过300圈。
在一些实施方式中，将所述原子级分散镍基催化剂作为正极材料应用于锂氧气电池时，具体包括步骤：
步骤S1：将所述原子级分散镍基催化剂与导电剂、粘结剂、溶剂进行混合，得到浆料；
步骤S2：将所述浆料涂抹在碳纸基体上，经真空干燥得到正极极片；
步骤S3：将所述正极极片组装电池，以金属锂为负极，玻璃纤维薄膜作为隔膜，与电解液组装成扣式电池。
在本实施方式中，所述步骤S1中，采用科琴黑作为导电剂，6％聚四氟乙烯作为粘结剂，异丙醇溶液作为溶剂；所述原子级分散镍基催化剂与导电剂、粘结剂的质量比为6:3:1。其中，所述原子级分散镍基催化剂和导电剂的总质量与异丙醇的质量比为1:140。
在一些实施方式中，所述正极极片中，每个正极极片活性物质负载量为0.15-0.2mg/cm2；采用双三氟甲基磺酸亚酰胺锂溶于四乙二醇二甲醚的溶液为电解液，浓度为1mol/L；所述电解液的用量为230μL。
在一些实施方式中，将所述原子级分散镍基催化剂作为负极材料应用于锂氧气电池时，具体包括步骤：将所述原子级分散镍基催化剂与导电剂、溶剂进行混合后，得到混合液；将所述混合液涂抹在锂片表面，经烘干得到具有保护层的复合锂金属；将所述复合锂金属作为负极，以上述步骤S3制备的正极极片作为正极，玻璃纤维薄膜为隔膜，与电解液组装成扣式电池。
进一步地，在制备复合锂金属时，所述导电剂为科琴黑，所述溶剂为四乙二醇二甲醚；所述原子级分散镍基催化剂与所述导电剂的质量比为2:1，所述原子级分散镍基催化剂与科琴黑的总质量与四乙二醇二甲醚的质量比为1:140；采用双三氟甲基磺酸亚酰胺锂溶于四乙二醇二甲醚的溶液为电解液，浓度为1mol/L；所述电解液的用量为230μL。
下面进一步举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
实施例1
实施例中所有原料如无特殊说明，均为常规原料，可市购获得；实施例中所用方法，如无特殊说明，均为现有技术。
其中，六水氯化镍购于阿拉丁(Aladdin)公司；氧化石墨烯购于苏州碳丰石墨烯科技有限公司。
实施例1-4
实施例1-4分别提供一种原子级分散镍基催化剂，实施例1-4之间不同之处在于镍盐溶液的添加量不同，其制备方法具体以下步骤：
1.将50mg NiCl2·6H2O溶解于50mL去离子水中，磁力搅拌1h至完全溶解，得到镍盐溶液；如下表所示，将一定量的上述镍盐溶液与去离子水按一定比例加入到预先超声处理3h的50mL氧化石墨烯水溶液中，先后经磁力搅拌0.5h，超声0.5h后得到均一稳定的四种前驱体溶液，待用。
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | |
| 镍盐溶液(mL) | 0.16 | 0.32 | 2.76 | 22.13 |
| 去离子水(mL) | 29.84 | 29.68 | 27.24 | 7.87 |
2.将上述四种前驱体溶液分别转移至水热反应釜中，密封置于鼓风干燥箱中，在180℃的温度下，水热反应6h，得到黑色圆柱形规则凝胶状样品，将上述样品用去离子水浸泡清洗三次，每次30min，待用。
3.将上述清洗后的黑色凝胶样品冷冻干燥72h以除去夹杂的水分后，转移至管式炉中进行高温退火处理，在Ar(150sccm)/NH3(50sccm)气氛下，以5℃min-1的升温速率升温至900℃，高温煅烧1h，所述混合气气体流量为100ml min-1，冷却至室温，分别得到实施例1的Ni1-N/rGO、实施例2的Ni2-N/rGO、实施例3的Ni3-N/rGO、实施例4的Ni4-N/rGO。
实施例1-4所制得的原子级分散镍基催化剂的球差透射电镜图如图2所示，其中a为实施例1制得的原子级分散镍基催化剂Ni1-N/rGO的球差透射电镜图，从图中可以看出，Ni以单原子的形态均匀地分散在整个石墨烯碳材料基体上；b为实施例2制得的原子级分散镍基催化剂Ni2-N/rGO的球差透射电镜图，从图中可以看出，Ni以单原子和团簇共存的形态均匀地分散在整个石墨烯碳材料基体上，但单原子形态居多；c为实施例3制得的原子级分散镍基催化剂Ni3-N/rGO的球差透射电镜图，从图中可以看出，Ni以单原子和团簇共存的形态均匀地分散在整个石墨烯碳材料基体上，但团簇形态增加；d为实施例4制得的原子级分散镍基催化剂Ni4-N/rGO的球差透射电镜图，从图中可以看出，Ni以团簇的形态均匀地分散在整个石墨烯碳材料基体上。
实施例2制备的原子级分散镍基催化剂Ni2-N/rGO的扩展X射线吸收精细结构图如图3所示，从图3中可以看出，原子级分散镍基催化剂中键合多为Ni-N配位，同时又少量Ni-Ni配位，没有Ni-O配位，进一步证实Ni以单原子和团簇共存的形态存在。
将实施例1-4制备的原子级分散镍基催化剂作为催化正极材料应用于锂氧气电池，具体步骤如下：
锂氧气电池正极极片的制备：独立地将实施例1-4制备的原子级分散镍基催化剂与导电剂科琴黑、6％聚四氟乙烯粘结剂按照6:3:1的质量比均匀分散在异丙醇溶液中，其中原子级分散镍基催化剂与科琴黑的质量和与异丙醇的质量比为1:140，先后经磁力搅拌0.5h、超声3h，得到均匀浆料；取50μL上述浆料均匀涂抹在碳纸基体上，在90℃条件下真空干燥12h得到正极极片，每个正极极片活性物质负载量为0.15～0.2mg/cm2。
锂氧气电池组装及测试：将所得正极极片在充满高纯氩气，H2O、O2含量均小于0.1ppm的手套箱中组装电池，以金属锂(纯度>99.9％)作为负极，玻璃纤维薄膜(GF/D)作为隔膜，双三氟甲基磺酸亚酰胺锂溶于四乙二醇二甲醚的溶液为电解液(浓度为1mol/L)，电解液用量为230μL，组装CR2032型扣式电池。将组装完毕的电池转移至锂氧气电池测试箱中，室温静置3h后通入1大气压的氧气，之后在氧气气氛下静置6h，再第二次通入氧气。对上述处理后的锂氧气电池进行电化学性能测试，测试设备为Land电池测试系统(5V,1mA)，测试电压范围为2.0-4.5/5.0V。
该电池在200mA/g电流密度下的首圈放电容量曲线如图4所示，由图4可知，本实施例1-4制备催化正极的锂氧气电池首圈放电容量分别达7000、18000、9500和2200mAh/g。
该电池在500mAh/g限定容量、100mA/g电流密度下的充放电性能曲线如图5所示，由图5可知，实施例2制备催化正极的锂氧气电池过电位仅为1.08V。
该电池在500mAh/g限定容量、200mA/g电流密度下的循环稳定性曲线如图6所示，由图6可知，实施例2制备催化正极的锂氧气电池可稳定循环225圈。
将实施例2制备的原子级分散镍基催化剂作为负极材料应用于锂氧气电池，具体步骤如下：
锂氧气电池复合锂金属负极的制备：将实施例2制备的原子级分散镍基催化剂与导电剂科琴黑按照2:1的质量比均匀分散在四乙二醇二甲醚中，其中原子级分散镍基催化剂与科琴黑的质量和与四乙二醇二甲醚的质量比为1:140，先后经磁力搅拌0.5h、超声3h，得到均匀混合液；在充满高纯氩气的手套箱中取70μL上述混合液均匀涂抹在锂片表面，在60℃条件下干燥12h得到具有保护层的复合锂金属。
锂氧气电池组装及测试：将所得复合锂金属在充满高纯氩气，H2O、O2含量均小于0.1ppm的手套箱中组装电池，以复合锂金属作为负极，其余组装方式及测试条件与上述一致。
该电池在500mAh/g限定容量、500mA/g电流密度下的循环稳定性曲线如图7所示，由图7可知，实施例2制备催化正极与复合锂金属负极的锂氧气电池可稳定循环超过300圈。
综上所述，本发明提供的一种原子级分散镍基催化剂及其制备方法与应用，原子级分散镍基催化剂包括：基体、负载于所述基体上的金属镍单原子和/或镍团簇；所述基体为还原的氧化石墨烯；所述还原的氧化石墨烯掺杂有氮元素。本发明利用金属镍单原子和/或镍团簇活性位点均匀地分布于碳基体之间，同时引入氮元素提高了材料内部缺陷程度，与金属镍位点形成配位结构，产生区域活性，增强了材料催化性能及对锂的亲和性。并且所述原子级分散镍基催化剂具有丰富的孔隙结构和比表面积，增大了电极与电解液间的接触面积，缩短了离子和电子的传输路径，有效的改善了三相界面问题，同时也为放电产物的容纳提供了更多的位点。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种原子级分散镍基催化剂，其特征在于，包括：基体、负载于所述基体上的镍单原子和/或镍团簇；所述基体为还原的氧化石墨烯；所述还原的氧化石墨烯掺杂有氮元素。
2.根据权利要求1所述的原子级分散镍基催化剂，其特征在于，所述还原的氧化石墨烯呈颗粒状；所述还原的氧化石墨烯的粒径为0.2μm-10μm。
3.根据权利要求1所述的原子级分散镍基催化剂，其特征在于，所述镍团簇的总尺寸和所述镍单原子的尺寸均小于1nm。
4.根据权利要求1所述的原子级分散镍基催化剂，其特征在于，所述镍单原子和所述镍团簇的总质量为所述原子级分散镍基催化剂的0.038wt％-0.811wt％。
5.根据权利要求1所述的原子级分散镍基催化剂，其特征在于，所述还原的氧化石墨烯中掺杂的氮元素的质量百分比为1.37wt％-3.20wt％。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的原子级分散镍基催化剂的制备方法，其特征在于，包括步骤：
将镍盐溶液、水、氧化石墨烯水溶液进行混合，得到前驱体溶液；
将所述前驱体溶液转移至反应釜中进行水热反应，得到黑色凝胶；
在含氮元素的气氛下对所述黑色凝胶进行退火处理，得到所述原子级分散镍基催化剂。
7.根据权利要求6所述的原子级分散镍基催化剂的制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度为170℃-190℃，所述水热反应的时间为5h-7h。
8.根据权利要求6所述的原子级分散镍基催化剂的制备方法，其特征在于，所述退火处理的温度为850℃-950℃，所述退火处理的时间为0.5h-1.5h，所述退火处理的升温速率为4℃min-1-6℃min-1。
9.一种如权利要求1-5任一项所述的原子级分散镍基催化剂在锂氧气电池正极材料中的应用。
10.一种如权利要求1-5任一项所述的原子级分散镍基催化剂在锂氧气电池负极材料中的应用。
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