一种FeNiCo-NC微纳米材料的制备方法和锌空气电池

本发明属于新能源储能领域，具体涉及液态和准固态二次锌-空电池组装和orr和oer双功能催化剂制备。

背景技术：

1、近年来，随着电气化进程的进一步加快，先进电化学储能技术的开发及其在电网规模储能、便携式电子设备和电动汽车等应用场景中变得越来越重要。过去十年见证了储能技术取得的巨大商业成功，并以燃料电池电动汽车和锂离子电池电动汽车的形式进入全球市场。但是锂离子电池潜在的危险性限制了他在高安全领域的应用，例如储能电站，航空等。而燃料电池的成本昂贵目前还未大规模使用。可充电锌空气电池成本低，高能量密度、环境友好、安全性高被认为是能量存储和转换系统中下一代电池最有前途的替代品之一。

2、商业的铂碳和氧化钌（氧化铱）复合催化剂是目前最有效的orr/oer双功能催化剂。然而，金属铂、钌和铱属于贵金属，应用成本极高。并且机械混合的铂碳和氧化钌无法有效紧密结合，在使用中稳定性差，组装的锌-空气电池性能无法达到使用需求。因此，急需开发一种兼顾成本低，性能好和稳定性优良的orr和oer双功能催化剂。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种fenico-nc微纳米材料的制备方法和应用。该材料具有

2、高的氧还原和析氧双功能活性，与锌阳极、电解质组装的具有三明治结构的准固态锌-空气电池具有优异的峰值功率密度和较好的循环稳定性。

3、本发明的技术方案之一，一种fenico-nc微纳米材料，三维多孔碳基底原位生长碳纳米管，具有优异的疏水性。

4、本发明的技术方案之二，上述fenico-nc微纳米材料的制备方法，具体包括以下步骤：

5、(1) 将铁盐、镍盐、锌盐和2-甲基咪唑溶于水中，在室温下搅拌2h。将溶液沉淀物离心、洗涤和干燥，获得feni-zif8前驱体。

6、(2) 将feni-zif8至于钴盐水溶液中，将该溶液在室温下搅拌10-80min，将溶液沉淀物离心、洗涤和干燥，获得fenico-zif8前驱体。

7、(3) 将fenico-zif8和二氰二胺按照质量比1:1-1.5分别装入两个刚玉舟中，在800-1000℃氩气下热解1-3h得到fenico-nc。

8、所述铁盐为氯化铁、硝酸铁、或醋酸铁；镍盐为硝酸镍、氯化镍、或醋酸镍；锌盐为硝酸锌、氯化锌、醋酸锌、或硫酸锌；fe、ni、zn的摩尔比为2-4：1：100-120。

9、所述步骤(2)中钴盐选自氯化钴、硝酸钴、或醋酸钴；钴盐的水溶液的浓度为20-40mm。

10、所述步骤(3)具体包括：将fenico-mof纳米片放置在管式气氛炉炉管下游，二氰二胺置于上游；惰性气体为氮气、氩气或氦气其中一种；退火升温速率为2-10℃/min，退火温度800-1000℃，退火时间1-3h。

11、本发明的技术方案之三，上述fenico-nc材料在锌-空气电池空气电极中的应用。

12、本发明的技术方案之四，一种锌-空气电池空气电极，将上述的fenico-nc纳米复合材料中加入乙醇与nafion形成的混合溶液中，乙醇与nafion的体积比为10:（0.2-4），超声混合后得到催化剂墨水，将催化剂墨水涂覆到碳纸或碳布上，烘干，得到锌-空气电池空气电极。

13、本发明的技术方案之五，一种准固态锌-空气电池阳极材料为锌片、锌箔、锌带、碳布碳纸等原位电镀锌的其中一种。

14、本发明的技术方案之六，一种准固态锌-空气电池的凝胶电解质材料为pva电解质、pana电解质、生物纤维素膜电解质、丙烯酸凝胶电解质的其中一种。

15、本发明的技术方案之七，一种液态锌-空气电池，将涂覆有fenico-nc纳米材料的碳纸阴极，锌阳极电极，氢氧化钾乙酸锌电解液组装得到液态锌-空气电池。

16、本发明的技术方案之八，一种准固态锌-空气电池，将涂覆有fenico-nc纳米材料的碳纸阴极，锌阳极电极，凝胶电解质组装得到准固态锌-空气电池。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果：

18、本发明所述的fenico-nc催化剂材料制备过程用廉价的水作为溶剂而不用甲醇，整个制备过程成本低廉、耗时短。fenico-nc催化剂材料

19、fenico-nc催化剂材料是一种负载在碳基底上铁颗粒、镍铁合金和钴铁合金多相金属催化剂。相比于其他金属颗粒催化剂，其orr和oer双功能活性更高。并且，fenico-nc材料具有碳纳米管原位生长在三维碳骨架的复合结构，这种结构类似于苍蝇表面覆盖着鬃毛，具有良好的疏水性。这种疏水结构可以隔绝电解液中部分的水分子，使空气更多地扩散到催化剂化学反应界面，从而提升锌空气电池的功率密度。

1.一种fenico-nc微纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的fenico-nc微纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，铁盐为氯化铁、硝酸铁、或醋酸铁；镍盐为硝酸镍、氯化镍、或醋酸镍；锌盐为硝酸锌、氯化锌、醋酸锌、或硫酸锌；fe、ni、zn的摩尔比为2-4：1：100-120。

3.根据权利要求1所述的fenico-nc微纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中钴盐选自氯化钴、硝酸钴、或醋酸钴；钴盐的水溶液的浓度为20-40 mm。

4.根据权利要求1所述的fenico-nc微纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：将fenico-zif8纳米片放置在管式气氛炉炉管下游，二氰二胺置于上游；惰性气体为氮气、氩气或氦气其中一种；退火升温速率为2-10℃/min，退火温度800-1000℃，退火时间1-3h。

5.液态锌-空气电池或准固态锌-空气电池的空气阴极，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述方法制备得到的fenico-nc微纳米材料。

6.根据权利要求5所述的液态锌-空气电池或准固态锌-空气电池的空气阴极，其特征在于，将权利要求1-4任一项所述方法制备得到的fenico-nc微纳米材料，按照fenico-nc、乙醇和nafion的比例配置成溶液，将该溶液超声分散均匀后滴加到碳纸上，烘干，得到空气阴极。

7.一种液态锌-空气电池，包括权利要求5或6所述的空气阴极、锌阳极、氢氧化钾+乙酸锌电解质组成的液态锌-空气电池。

8.根据权利要求7所述的液态锌-空气电池，其特征在于，所述的锌阳极选自锌片、锌箔和锌粉其中一种。

9.一种准固态锌-空气电池，包括权利要求5或6所述的空气阴极、锌阳极、凝胶电解质组成的准固态锌-空气电池。

10.根据权利要求9所述的准固态锌-空气电池，其特征在于，所述的锌阳极选自锌片、锌箔和锌粉其中一种；所述的固态电解质材料可为pva电解质、pana电解质、生物纤维素膜电解质、丙烯酸凝胶电解质中的一种。