锌空气电池空气电极的催化剂 本发明电化学领域锌空气电池空气电极的催化剂。
锌空气电池从问世到现在已经有一百多年的历史。它是以金属锌为负极活性物质，空气中的氧气为正极活性物质。两活性物质在空气电极与电解液的界面处被空气电极的催化层所催化发生电化学反应而产生电能。只要锌电极没有被消耗完，氧气就可以通过空气扩散电极源源不断地到达电化学反应界面与锌反应而不断地产生电能。这种电池具有比能量高、成本低、放电性能平稳等优点，有着巨大的市场前景。然而，锌空气电池的放电电流密度偏低，不能适用较大功率放电的家用电子电器的使用需要，从而限制了它的市场和应用范围。采取提高空气电极空气扩散总面积的方法可以在一定程度上增大放电电流，但是同时却会加剧锌空气电池的漏液爬碱难题。如果提高反应过程中催化剂的催化活性，就可以加速空气中的氧气被吸附进入电池的内部，提高氧气在反应界面处的反应速率，从而增大电池的放电电流。传统采用的活性碳、电解等催化剂的催化活性较低，使氧气在电化学界面上的反应速度较慢，从而限制了电池地放电电流密度。后来有人采用贵金属代替活性炭或MnO2作催化材料来提高对空气电极的催化活性，但是贵金属的价格昂贵，而且以其作为催化剂电池的电流密度仍满足不了家用电子电器的使用要求，因而也不能使其大规模地被应用。
本发明的目的在于提供一种原材料价格低廉、催化活性高的锌空气电池空气电极的催化剂，以提高锌空气电池的放电电流密度。
本发明的锌空气电池空气电极的催化剂是在电解MnO2中掺入Li、Co等金属元素，用溶胶凝胶法合成具有尖晶石型晶型结构的金属复合氧化物催化剂。
电解MnO2早就被用来作为锌空气电池的催化材料。其价格低廉，但是其催化活性低，不能满足电池大电流放电的需要。本发明在MnO2中引入少量的Li和Co等元素，通过溶胶凝胶的工艺方法合成出价格低廉、催化活性高的锌空气电池新型催化材料。
本发明的锌空气电池空气电极的催化剂通过下列方法获得：
先把电解MnO2转化成硝酸盐，再按式LiMn2-xCoxO4中X=0、0.01、0.05、0.10、0.20、0.50等配比的Li、Mn和Co硝酸盐与柠檬酸混合均匀得到透明的溶液，通过缓慢加入氨水来调节其PH值至7.5-8.5，将其置于70-90℃水浴中加热脱水形成透明的溶胶，再在130-160℃下干燥15-20小时脱水得到透明的凝胶，然后将所得的凝胶预聚物分别加热到目标温度(300、380、460、540℃)后保温5-7小时，然后随炉冷却至室温。
合成的粉末状催化剂采用西门子公司生产的D500型X射线衍射仪进行XRD测试，CuKa作为X射线源，石墨作为过滤器，呈步进扫描，步长为0.03度，扫描速度为2℃/MIN，每5秒取一个样。其XRD图谱如附图1所示，显示出该材料具有完美的尖晶石型晶型结构。
采用20％的聚四氟乙烯(PTFE)作粘接剂碾压成厚度约为0.1mm的催化膜，与透气膜和导电镍网叠加，做成面积约1cm2左右的电极，用稳态恒电流进行极化测试，通过比较相同极化电位下的电流密度大小来考察催化材料的催化活性。保持相同的工艺条件，在不同配比的六种催化剂中，式中的X=0.05-0.1时，催化剂的催化活性最好。保持相同的材料配方，考察在不同烧结温度下所得催化剂的催化活性以440-500℃，发现为最好。用本发明合成的催化材料作催化剂的锌空气电池的最佳放电电流密度可达150mA.cm-2以上，比以电解MnO2为催化剂的锌空气电池的放电电流密度(约为30 mA.cm-2)有了大幅度的提高，已能满足常规的家用电子电器设备对放电电流的要求。
图1是本发明所合成催化剂的X射线衍射谱图；
图2、图3、图4是本发明催化剂电流的极化曲线图。衍射谱图。
下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述。
实施例1
先把电解MnO2转化成硝酸盐，再按摩尔比为1∶1.99∶0.01配比的Li、Mn、Co的硝酸盐与柠檬酸混合均匀得到透明的溶液，通过缓慢加入氨水来调节其PH值至7.5-8.5，将其置于70-90℃水浴中加热脱水形成透明的溶胶，再在130-160℃下干燥15-20小时脱水得到透明的凝胶，然后将所得凝胶预聚物放入马沸炉中加热，在空气气氛中加热到目标温度300℃后保温5-7小时，然后随炉冷却至室温。
采用20％PTFE作粘接剂碾压成厚度约为0.1mm的催化膜，与透气膜和导电镍网叠加，做成面积约1cm2左右的电极，用稳态恒电流进行极化测试，通过比较相同极化电位下的电流密度大小来考察催化材料的催化活性。其测试结果如附图2所示，在1.0V的极化电位下电流密度约为60mA.cm-2。
实施例2
先把电解MnO2转化成硝酸盐，再按摩尔比为1∶1.99∶0.01配比的Li、Mn、Co的硝酸盐与柠檬酸混合均匀得到透明的溶液，通过缓慢加入氨水来调节其PH值至7.5-8.5，将其置于70-90℃水浴中加热脱水形成透明溶胶，再在130-160℃下干燥15-20小时脱水得到透明凝胶，然后将所得凝胶预聚物放入马沸炉中加热，在空气气氛中分别加热到目标温度460℃后保温5-7小时，然后随炉冷却至室温。
采用20％PTFE作粘接剂碾压成厚度约为0.1mm的催化膜，与透气膜和导电镍网叠加，做成面积约1cm2左右的电极，用稳态恒电流进行极化测试，通过比较相同极化电位下的电流密度大小来考察催化材料的催化活性。其测试结果如附图3所示，在1.0V的极化电位下电流密度约为90mA.cm-2。
实施例3
先把电解MnO2转化成硝酸盐，再按摩尔比为1∶1.95∶0.05配比的Li、Mn、Co的硝酸盐与柠檬酸混合均匀得到透明的溶液，通过缓慢加入氨水来调节其PH值至7.5-8.5，将其置于70-90℃水浴中加热脱水形成透明溶胶，再在130-160℃下干燥15-20小时脱水得到透明凝胶，然后将所得的凝胶预聚物放入马沸炉中加热，在空气气氛中分别加热到目标温度460℃后保温5-7小时，然后随炉冷却至室温。
采用20％的PTFE作粘接剂碾压成厚度约为0.1mm的催化膜，与透气膜和导电镍网叠加，做成面积约1cm2左右的电极，用稳态恒电流进行极化测试，通过比较相同极化电位下的电流密度大小来考察催化材料的催化活性。其测试结果如附图4所示，在1.0V的极化电位下电流密度约为150mA.cm-2。