超低量贵金属负载纳米富勒烯催化剂及其制备方法和应用

本发明属于复合材料合成领域，具体涉及一种超低量贵金属负载纳米富勒烯催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、为了应对日益严峻的环境危机和能源供应挑战，人们已经开发了多种新型能量存储设备，其中，二次电池是目前应用范围最广、发展潜力最大的储能方式。然而，现阶段大规模应用的锂离子电池的实际能量密度已逼近理论极值，无法满足长续航电动汽车的市场需求。因此，目前大量的研究工作主要集中在寻找可以替代甚至超越锂离子电池的新体系。而锂-氧电池在现有电池体系中具有最高的理论能量密度(～11429whkg-1)，几乎媲美汽油(～12600whkg-1)，因此在未来储能领域具有很大的应用潜力。此外，lobs的正极活性物质为空气中的氧气，取之不尽，用之不竭，并且无需储存在电池内部，可以降低电池自身重量。

2、贵金属材料具有极其优良的催化特性，但是其在自然界含量稀少，价格高昂。因此，如何降低贵金属催化剂的载量和颗粒粒径是一个重要的研究内容。富勒烯(fullerene)是单质碳被发现的第三种同素异形体。任何由碳一种元素组成，以球状，椭圆状，或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯。富勒烯独特的结构使其拥有优异的导电性和催化性能，可以用作贵金属催化剂的载体。现有的商业贵金属基催化剂载量过高，贵金属颗粒粒径较大，催化活性较低。与此同时，现有载体材料的催化活性较低，且颗粒尺寸不均，导电性不好，在锂-氧电池中性能较差。

技术实现思路

1、为克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供超低量贵金属负载纳米富勒烯催化剂及其制备方法和应用法。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、超低量贵金属负载纳米富勒烯催化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将一定质量比的富勒烯原料和二氧化锆小球加入到二氧化锆球磨罐中，使用高能球磨机进行球磨，转速为300～500r，时间为4～10h。每球磨半小时停止5分钟，并更换转动方向。结束球磨后收集固体粉末产物。

5、其中，所述的富勒烯原料可以为c20、c60、c70、c76或者c80，优选为c60。所述的富勒烯原料和二氧化锆小球质量比为1：10～20，优选为1：10～15。

6、优选的，球磨转速为400～500r。

7、优选的，球磨时间为4～6h。

8、(2)将步骤(1)中得到的粉末产物和贵金属源以特定质量比溶于一定量醇类有机溶剂中，超声分散0.5～2h，得到第一混合液。

9、其中，所述的贵金属源为六水合氯铂酸(h2ptcl4·6h2o)，氯钯酸钠(na2pdcl4)，四水合氯金酸(haucl4·4h2o)，氯铑酸钠(na3rhcl6)或者六水合氯铱酸(h2ircl4·6h2o)。

10、所述的(1)中得到的粉末产物和贵金属源质量比为100：1～10，优选为100：1～3。

11、所述的醇类有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇或者乙二醇，优选为乙醇。所述的醇类有机溶剂的量为50～200ml，优选为50～80ml。

12、优选的，超声分散时间为0.5～1h。

13、(3)在室温条件下，使用波长为365nm的紫外线照射第一混合液50～100min。反应结束后，关闭紫外灯，得到第二混合液。

14、优选的，照射时间为60～70min。

15、(4)将第二混合液在80～150℃下加热直至溶剂完全蒸发干，随后收集固体产物，得到锂-氧电池的超低量贵金属负载纳米富勒烯催化剂。

16、优选的，加热温度为100～120℃。

17、与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

18、(1)本发明通过高能球磨法降低富勒烯原料的尺寸，然后通过紫外光辅助法，将贵金属纳米颗粒均匀修饰在纳米级富勒烯表面。该技术合成原料价格低廉，制备方法简单，可显著降低已有技术中的贵金属负载纳米富勒烯催化剂的制备成本。

19、(2)本发明所制备的催化剂材料中，纳米级富勒烯材料具有更小的粒径和更多的催化活性位点，有效增强了材料的导电性。

20、(3)本发明所制备的催化剂材料中，贵金属纳米颗粒尺寸极小且分散均匀，具有很多催化活性位点和很高的催化活性，同时降低成本，节约了贵金属资源。

21、(3)本发明所制备的催化剂材料在氧析出反应和氧还原反应中表现优异，用于锂-氧电池正极材料具有超低过电位和出色的循环性能。

技术特征：

1.超低量贵金属负载纳米富勒烯催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的超低量贵金属负载纳米富勒烯催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中球磨，转速为300～500r，时间为4～10h；每球磨半小时停止5分钟，并更换转动方向；

3.根据权利要求1所述的超低量贵金属负载纳米富勒烯催化剂的制备方法，其特征在于，所述的富勒烯原料为c20、c60、c70、c76或者c80。

4.根据权利要求1所述的超低量贵金属负载纳米富勒烯催化剂的制备方法，其特征在于，所述的富勒烯原料和二氧化锆小球质量比为1：10～20。

5.根据权利要求1所述的超低量贵金属负载纳米富勒烯催化剂的制备方法，其特征在于，所述的贵金属源为：六水合氯铂酸h2ptcl4·6h2o，氯钯酸钠na2pdcl4，四水合氯金酸haucl4·4h2o，氯铑酸钠na3rhcl6或者六水合氯铱酸h2ircl4·6h2o。

6.根据权利要求1所述的超低量贵金属负载纳米富勒烯催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中粉末产物和贵金属源质量比为100：1～10。

7.根据权利要求1所述的超低量贵金属负载纳米富勒烯催化剂的制备方法，其特征在于，所述的醇类有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇或者乙二醇。

8.锂-氧电池的超低量贵金属负载纳米富勒烯催化剂，根据权利要求1～7中任一项所述的制备方法制备所得。

9.权利要求8所述的锂-氧电池的超低量贵金属负载纳米富勒烯催化剂，作为制备锂-氧电池的正极活性物质。

10.一种锂-氧电池，采用权利要求8所述的超低量贵金属负载纳米富勒烯催化剂作为正极活性物质制备所得。

技术总结
本发明提供一种超低量贵金属负载纳米富勒烯催化剂及其制备方法和应用；将富勒烯原料和二氧化锆小球加入到二氧化锆球磨罐中，使用高能球磨机进行球磨，收集的固体粉末产物和贵金属源溶于醇类有机溶剂中，超声分散，得到第一混合液；使用波长为365nm的紫外线照射第一混合液，得到第二混合液；将第二混合液加热直至溶剂完全蒸发干，随后收集固体产物，得到锂‑氧电池的超低量贵金属负载纳米富勒烯催化剂。本发明将贵金属纳米颗粒均匀修饰在纳米级富勒烯表面，可显著降低贵金属负载纳米富勒烯催化剂的制备成本，纳米级富勒烯材料具有更小的粒径和更多的催化活性位点，有效增强了材料的导电性。

技术研发人员：谭国强,张锴,王敬,吴锋
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15