專利名稱：一種用于鋰空電池的石墨烯-鉑納米復合催化劑及其制備方法
技術領域：
本發明屬電化學技術領域，具體涉及一種用于鋰空電池的石墨烯-鉬(RGO-Pt)納米復合催化劑材料及其制備方法。
背景技術：
鋰空電池由于能量密度非常高，有巨大的潛力成為未來新一代的儲能電源。一個典型的非水系鋰空電池包括金屬鋰負極、由鋰鹽溶解在有機溶劑中形成的電解液以及由具有高比表面積的碳材料、催化劑以及粘結劑所組成的O2呼吸電極(正極)。然而過電壓太大、 循環性能差以及大電流充放電性能差成為阻礙鋰空電池應用的三大問題。因而正極材料的設計對于鋰空電池的發展和應用具有決定性的意義。通過尋找一種合適的催化劑用來有效降低過電壓，提高正極材料循環性能，這是目前鋰空電池研究的重要方向之一。此外，隨著微電子器件的小型化，迫切要求開發與此相匹配的鋰空薄膜電池。
發明內容
本發明的目的在于提出一類重量比容量高、充放電過電壓小、循環性能好的鋰空電池正極催化劑材料及其制備方法。本發明提出的鋰空電池正極催化劑材料，是一種石墨烯(RGO) —鉬(Pt)納米復合材料。經研究表明，此類材料可作為高性能鋰空電池的正極催化劑材料。目前為止沒有關于石墨烯(RGO) —鉬(Pt)納米復合材料用作鋰空電池正極催化劑材料的報道。本發明提出的作為鋰空電池正極催化劑材料的石墨烯-鉬(RGO-Pt)納米復合催化劑材料為分散良好的膠體，組分濃度可調節，可制備成薄膜或粉體形式。本發明提出用于鋰空電池正極催化劑材料的石墨烯-鉬(RGO-Pt)納米復合催化劑材料的制備方法，采用液相脈沖激光燒蝕技術(LP-PLA)，具體步驟為以固體金屬材料鉬(Pt)作為激光燒蝕的靶，355nm激光由Nd :YAG (DCR-150, Spectra Physics)產生的 1064nm基頻經三倍頻后獲得，重復頻率10Hz，脈寬10ns，能量密度約為2 3J/cm2，燒蝕時間為15-60min。用分散的石墨烯膠體作為液相介質，盛放在;TlOmL燒杯中。將靶固定在燒杯中，與光路垂直。激光聚焦在液面處的靶上，激光燒蝕時用磁子攪拌石墨烯分散膠體。本發明中，石墨烯-鉬(RGO-Pt)納米復合催化劑材料結構由透射電子顯微鏡 (JE0L 2010)確定。高分辨像(HRTEM)表明有大量3-5nm的鉬金屬粒子負載于石墨烯片層上。石墨烯-鉬(RGO-Pt)納米復合催化劑材料表面形貌由原子力顯微鏡(AFM，VEECO Multimode V)確定。原子力顯微鏡形貌圖表明鉬納米粒子尺寸在3-5nm范圍內，在石墨烯片層上和片層外均由分布。本發明中，石墨烯-鉬(RGO-Pt)納米復合催化劑膠體通過滴涂在導電玻璃上可制成鋰空電池薄膜電極。本發明中，石墨烯-鉬(RGO-Pt)納米復合催化劑薄膜電極的電化學性能測試采用由三電極組成的薄膜電池系統。其中，類金剛石薄膜用作工作電極，高純鋰片分別用作為對電極和參比電極。電解液為IM LiPF6 + EC + DMC (V/V=l/1)。薄膜電池裝配在充氬氣的干燥箱內進行。薄膜電池的充放電實驗在藍電(Land)薄膜電池測試系統上進行。本發明中，由液相激光燒蝕技術(LP-PLA)制得的石墨烯-鉬(RGO-Pt)納米復合催化劑薄膜電極具有充放電性能，在電壓范圍2. 0 4. 5V和電流密度100mA/g時，放電反應的平臺出現在2. 73V (相對于Li/Li+)，首次放電容量達到^63mAh/g，第二次放電過程與第一次放電過程相比，容量上升至3800 mAh/g，六次循環以內容量保持在3000mAh/g以上。上述性能表明，石墨烯-鉬(RGO-Pt)納米復合催化劑材料是一種性能良好的新型的正極催化劑材料，可應用于鋰空電池。
圖1為實施例1石墨烯-鉬(RGO-Pt)納米復合催化劑材料的HRTEM譜圖。圖2為實施例1石墨烯-鉬(RGO-Pt)納米復合催化劑材料的AFM譜圖。圖3為實施例1石墨烯-鉬(RGO-Pt)納米復合催化劑材料的充放電曲線。
具體實施例方式下面通過實施例進一步說明本發明。實施例采用液相脈沖激光燒蝕技術(LP-PLA)制備石墨烯-鉬(RGO-Pt)納米復合催化劑時，以固體金屬材料鉬(Pt)作為激光燒蝕的靶，355nm激光由Nd =YAG (DCR-150， Spectra Wiysics)產生的1064nm基頻經三倍頻后獲得，重復頻率10Hz，脈寬10ns，能量密度約為3J/cm2，燒蝕時間為15-60min。用分散的石墨烯膠體作為液相介質，盛放在5mL燒杯中。將靶固定在燒杯中，與光路垂直。激光聚焦在液面處的靶上，激光燒蝕時用磁子攪拌石墨烯分散膠體。HRTEM測定表明石墨烯-鉬(RGO-Pt)納米復合催化劑材料的物質結構(附圖1)。AFM測定表明石墨烯-鉬(RGO-Pt)納米復合催化劑材料的表面形貌(附圖2)。對滴涂在導電玻璃基片上的石墨烯-鉬(RGO-Pt)納米復合催化劑材料薄膜電極的電化學性能測試結果如下
石墨烯-鉬(RGO-Pt)納米復合催化劑材料薄膜電極可在100mA/g充放電速率下進行充放電循環。在電壓范圍2. 0-4. 5V內，第一次放電容量可達^63mAh/g，最大容量為4454mAh/ go充放電曲線見附圖3。因此，在導電玻璃基片上滴涂的石墨烯-鉬(RGO-Pt)納米復合催化劑材料可用作鋰空薄膜電池的正極材料。
權利要求
1.一種鋰空電池正極催化劑材料，其特征在于為一種石墨烯-鉬納米復合材料。
2.一種如權利要求1所述的鋰空電池正極催化劑材料的制備方法，其特征在于采用液相脈沖激光燒蝕技術，具體步驟為以固體金屬材料鉬作為激光燒蝕的靶，355nm激光由 Nd =YAG產生的1064nm基頻經三倍頻后獲得，重復頻率10Hz，脈寬10ns，能量密度為2-3J/ cm2，燒蝕時間為15-60min ；用分散的石墨烯膠體作為液相介質，盛放在3_10mL燒杯中；將靶固定在燒杯中，與光路垂直；激光聚焦在液面處的靶上，激光燒蝕時用磁子攪拌石墨烯分散膠體。
全文摘要
本發明屬電化學技術領域，具體為一種鋰空電池石墨烯-鉑(RGO-Pt)納米復合催化劑及其制備方法。該納米復合催化劑材料通過液相脈沖激光燒蝕技術(LP-PLA)制備獲得。由該復合催化劑制成的薄膜電極用于鋰空電池正極材料，具有良好的充放電循環可逆性，充放電過電壓明顯降低，在100mA/g電流密度下可逆比容量超過4000mAh/g。基于該石墨烯-鉑(RGO-Pt)納米復合催化劑的薄膜正極材料化學穩定性好、比容量高、循環性能優異、制備方法簡單，適用于鋰空電池。
文檔編號B01J23/42GK102423703SQ20111040594
公開日2012年4月25日 申請日期2011年12月8日 優先權日2011年12月8日
發明者傅正文, 李越生, 楊銀 申請人:復旦大學