一种电化学能源转换与存储材料及其制备方法与

作者:365竞猜 | 2020-11-21 14:30

  本发明属于电化学能源转换与存储技术领域,涉及一种电化学能源转换与存储材料及其制备方法与应用,具体涉及一种铱基电催化材料及其制备方法与应用。

  随着经济社会的不断发展,对能源的需求日益旺盛,能源短缺及其所产生的环境污染问题愈发严重。鉴于此,新能源的开发势在必行。在各种能源体系中,燃料电池、金属空气电池、电化学制氢是新能源研究领域的热点和前沿方向。可再生燃料电池及可充式金属空气电池的发展则进一步拓宽了这两种化学电源的应用方向。氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)是可再生燃料电池和可充式金属空气电池的典型的阴极反应,氧析出反应(OER)和析氢反应(HER)则是电解水体系的主要反应。催化剂是制约上述能源转换体系的主要瓶颈所在。对于金属空气电池,如锂空气电池,充放电反应过电势较高,需要高效的电极反应催化剂;阴极材料主要为碳载催化剂体系,但碳基电极材料在充放电过程中容易分解产生严重的副反应,因此寻找高效稳定的空气电极材料至关重要。对于电解水体系,目前OER反应活性较高的催化剂一般为Ir或Ru及其氧化物,HER反应活性最高的催化剂为Pt基催化剂,然而当前所报道的非贵金属催化剂很难达到上述贵金属催化剂的活性。另一方面考虑到价格问题,贵金属催化剂的活性和利用率需要进一步提升,以大幅降低成本。此外,OER和HER反应通常发生在同一电解质中,但目前所报道催化剂很难同时对OER和HER反应均具有较高的催化活性,是该研究领域的难点。

  针对燃料电池、金属空气电池及电解水等能源转换与存储体系的主要问题,本发明提供了一种高活性、高利用率的电化学能源转换与存储材料及其制备方法与应用,以降低电催化反应的过电势,进一步降低成本。

  一种电化学能量转换与存储材料,所述材料为以多孔材料为基底,Ir纳米材料在其上通过溶剂热反应生长而形成的三维自支撑Ir纳米复合电极。

  (2)将多孔基底依次在丙酮(或HCl溶液)及去离子水中充分清洗,接着放入上述盛有前驱体溶液的容器中进行反应;

  (3)待冷却至室温后,取出充分用去离子水清洗,即得自支撑三维Ir纳米复合电极。

  本发明中,所述多孔基底选自泡沫镍、泡沫钛、泡沫铜、不锈钢网、镍网、铜网中的一种。

  本发明中,所述Ir的前驱体选自三氯化铱、硝酸铱、氯铱酸钠、氯铱酸等含铱元素的盐或酸。

  本发明中,所述前驱体溶液的溶剂选自水、乙醇、异丙醇、甲醇、N-N二甲基甲酰胺中的一种或其混合溶剂。

  本发明中,所述三维自支撑Ir纳米复合电极可应用于燃料电池、锂空气电池、电解水等电化学能量存储与转换领域。

  (1)工艺简单可靠,通过溶剂热法即可实现自支撑三维Ir纳米复合电极的制备,通过调控反应时间、温度可进一步调控产物的结构形貌。

  (2)本发明的自支撑三维纳米复合结构催化剂比表面积大,能够提供更加丰富的催化活性位点,三维结构利于反应物的传质。

  (3)本发明的Ir纳米复合电极能够广泛应用于多种电催化体系,同时实现电解水中OER和HER反应的高效催化,优于商业Ir/C及Pt/C催化剂。

  (4)本发明的三维自支撑Ir纳米复合电极用作锂空气电池空气电极,稳定性及催化活性均较高,能够实现电池的全充放,在新能源电催化领域极具应用前景;而碳基空气电极只能在限制容量模式下进行循环。

  图1为实施例1中Ir纳米复合电极的扫描电镜(SEM)图及元素面扫(mapping)示意图。

  下充放电及循环性能曲线,(a)充放电曲线;(b)循环性能曲线中Ir纳米复合空气电极0.05 mA/cm2下充放电及循环性能曲线 mAh充放电曲线;(b)循环性能曲线中Ir纳米复合空气电极0.2 mA/cm

  下充放电及循环性能曲线,(a)充放电曲线;(b)循环性能曲线。具体实施方式

  下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此,凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的保护范围中。实施例1:

  将厚度为200 μm的泡沫镍在3 M HCl溶液中清洗15 min,然后用去离子水清洗干净备用。配置8 mL浓度为0.005 M IrCl

  水溶液并转移到相应玻璃容器中,然后将处理的泡沫镍基底放上述溶液中,接着转移到均相反应器中,80℃下反应2h。冷却至室温后,用去离子水清洗干净,即可得到相应Ir基电极。

  图1为所得电极的SEM图像,从图1中可以看出电极呈现三维交织结构的纳米片结构。

  在1M KOH溶液中测试其OER及HER性能,结果如图2所示。对于OER反应,10mA/cm2的电流密度下,其过电位η

  的电流密度下,电极过电位η10=40mV,均优于商业Ir/C及Pt/C催化剂性能。实施例2:将厚度为250 μm的泡沫钛在丙酮中超声清洗20 min,然后用去离子水清洗干净。配置35 mL浓度为0.001 M IrCl3水溶液并转移到50 mL规格的高压反应釜PTFE内衬中,然后将处理的泡沫镍基底放上述溶液中,接着转移到均相反应器中,150 ℃下反应4 h。冷却至室温后,用去离子水清洗干净,即可得到相应Ir基电极。

  的电流密度下,电极过电位η10=87 mV,OER及HER活性均分别优于商业Ir/C及Pt/C催化剂性能。实施例3:将厚度为250 μm的泡沫镍在3M HCl溶液中清洗15 min,然后用去离子水清洗干净。接着配置8 mL浓度为0.005 M氯铱酸钠水溶液并转移到相应玻璃容器中,然后将处理的泡沫镍基底放上述溶液中,接着转移到均相反应器中,90 ℃下反应4 h。冷却至室温后,将电极取出并用去离子水清洗干净,即可得到相应Ir基电极。在0.5M H

  的电流密度下 HER过电位η10=100 mV,达到商业Pt/C催化剂水平;OER过电位η10=250 mV,过电位低于大多数文献水平,高于商业Ir/C催化剂活性。实施例4:将厚度为200 μm的泡沫镍在3M HCl溶液中清洗15 min,然后用去离子水充分清洗干净。接着配置8 mL浓度为0.005 M IrCl3乙醇溶液并转移到相应玻璃容器中,将清洗干净的泡沫镍转移到上述前驱体乙醇溶液中,90 ℃下反应2 h。冷却至室温后,取出电极用去离子水充分清洗,即可得到相应Ir基电极。

  将所得电极用作锂空气电池空气电极,在高纯氧环境中测试其电化学性能。图5为相应电极在0.01mA/cm

  的电流密度下锂空气电池的循环性能,可稳定循环250圈,电压平台仍维持在2.0V以上。实施例5:

  将厚度为200 μm的泡沫镍在3M HCl溶液中清洗15 min,然后用去离子水充分清洗干净。接着配置10 mL浓度为0.001 M IrCl3乙醇溶液并转移到相应玻璃容器中,将清洗干净的泡沫镍转移到上述前驱体乙醇溶液中,100 ℃下反应2 h。冷却至室温后,用去离子水充分清洗,即可得到相应Ir基电极。

  将所得电极用作锂空气电池空气电极,在高纯氧环境中测试其电化学性能。图6为相应电极在0.05 mA/cm

  的电流密度下锂空气电池的循环性能,可稳定循环60圈,电压平台仍维持在2.3 V以上。实施例6:

  将厚度为250 μm的泡沫镍在3 M HCl溶液中清洗15 min,然后用去离子水清洗干净。接着配置8 mL浓度为0.005 M IrCl3水溶液并转移到相应玻璃容器中,然后将处理的泡沫镍基底放上述溶液中,接着转移到均相反应器中,90 ℃下反应10 h。冷却至室温后,将电极取出并用去离子水清洗干净,即可得到相应Ir基电极。

  将所得电极用作锂空气电池空气电极,在高纯氧环境中测试其电化学性能。图6为相应电极在0.2 mA/cm

  的电流密度下,在2.0~4.3V的充放电区间内,锂空气电池的循环性能,290圈以后,容量保持率为22%,能够实现锂空气电池的全充放。实施例7:

  将泡沫镍在3 mol/的盐酸中超声清洗15 min,然后用去离子水清洗干净。配置35 mL浓度为0.006 M 氯铱酸水溶液并转移到50 mL玻璃反应容器,然后将处理的泡沫镍基底放上述溶液中,接着转移到水浴锅中,90 ℃下反应2 h。冷却至室温后,用去离子水清洗干净,即可得到相应电极。在1M KOH溶液中测试其OER及HER性能。10 mA/cm

  的电流密度下,电极过电位η10=35 mV,OER及HER活性均分别优于商业Ir/C及Pt/C催化剂性能。实施例8:将泡沫镍在3 mol/的盐酸中超声清洗15 min,然后用去离子水充分清洗。配置10 mL浓度为0.005 MIrCl3的乙醇和水的混合溶液,其中乙醇和水的体积比为1:2,然后转移到20 mL玻璃反应容器,接着将处理的泡沫镍基底放上述混合溶液中,接着转移到水浴锅中,90 ℃下反应2 h。冷却至室温后,用去离子水清洗干净,即可得到相应电极。

  的电流密度下,2.3-4.5V的充放电范围内,循环100次后,容量保持为85%。


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