一种锌-空气电池催化剂、制备方法以及可回收抗粉化的空气极结构

1.本发明涉及一种锌-空气电池催化剂、制备方法以及可回收抗粉化的空气极结构，属于锌-空气电池电极材料技术领域。


背景技术：

2.可充式锌-空气电池(zabs)是一种能量密度高、安全性高和发展潜力大的电化学储能器件。然而，zabs商业化过程中存在两个关键问题。首先，一是催化剂价格昂贵，含有有毒过渡金属需要回收利用。二是空气极中氧还原/析出反应(orr/oer)动力学缓慢，需要大量的催化剂才能维持较高的动力学反应速率。然而，目前zabs中所用的电催化剂都含有重金属(如pt、ru、ir、co、mn、fe、ni)，这些废弃的zabs会泄露大量的重金属。其次，在实际充电反应时zabs阴极催化剂会受到了大量o2气泡的攻击，影响电池的稳定性。在电池制备过程中，传统的zabs需要聚合物粘合剂，例如nafion、ptfe和pvdf。然而，这些聚合物粘合剂存难以自然分解和电绝缘(阻碍电子在电极中传输)等问题，这些粘合剂很难抵抗zabs中使用的强碱性电解质及oer产生大量o2气泡的持久攻击。


技术实现要素：

3.本发明开发了一种磁性粘结剂吸附掺杂钴的催化剂工艺，这是一种简单、可调控且廉价的zab电极制备工艺和回收策略。通过磁铁操控的锌-空气电池可以循环1200小时(7200次循环)，对带有空气极的自制电解池进行原位观察来揭示其抗粉化。此外，我们可以使用磁分离技术回收废zab中的钴催化剂。回收后的催化剂装zab还可以稳定循环超过500小时(δe＝0.86v)。这项工作设计的磁操控电极表现出优异的电池性能，而且为回收应用催化剂提供了一种解决方案。
4.本发明的第一个目的，提供了一种锌-空气电池催化剂，其作为主要的催化活性成分的金属co会在掺杂n的情况下表现出强磁性，能够被磁性材料所固定；同时，该材料也表现出了较好的多功能催化性能。
5.一种锌-空气电池催化剂，其中含有石墨碳，且在石墨碳上还分布有碳纳米管，在碳纳米管中包覆有co以及co的氧化物，且在催化剂中还掺杂有氮元素；催化剂的粒径范围1-2μm。
6.氮元素的存在形式是吡啶氮、金属氮、吡咯氮或石墨氮。
7.co在催化剂中所占的质量百分比是10-40wt％。
8.本发明的第二个目的，提供了制备方法用于合成上述催化剂，其制备过程是通过利用含co、n、c的配位化合物材料，在还原性气氛下煅烧后得到。
9.锌-空气电池催化剂的制备方法，包括如下步骤：
10.步骤1，获得含co、n、c的配位化合物材料，并在还原气氛下进行煅烧处理；
11.步骤2，产物在稀酸中处理使部分钴被溶出后，在空气中老化处理生成钴的氧化
物，得到催化剂。
12.所述的含co、n、c的配位化合物材料是钴基mof材料。
13.所述的钴基mof材料选自zif-67、mof-74(co)、mof-24(co)、mof-100(co)。
14.所述的还原气氛是由氢气和惰性气体混合而成，体积比1:19。
15.煅烧处理中是在250-400℃下煅烧1.5h，再在600-800℃条件下煅烧3.5h。
16.稀酸中处理是指0.5m的稀酸溶液中处理12h；老化处理是在100℃下处理1天。
17.本发明的第三个目的，提供了一种用于锌-空气电池中的空气极上的电极结构。这种电极结构的设计特点是可以吸附具有磁性的催化剂，使得其不易流失且可被回收；并且在固定的过程中，由于不使用粘结剂，也避免了粘结剂受氧攻击后的寿命下降问题；同时在电极材料中的催化剂上呈阵列排布，能够有效耐受气泡产生时对催化层的稳定性的影响，不易粉化。
18.一种空气极结构，包括扩散层：扩散层的一侧覆有催化剂层，另一侧上的部分区域上设有磁性材料，用于通过磁力固定催化剂层，催化剂层用于对氧气进行还原反应；其中，催化剂层上的催化剂的化学结构中含有带磁性金属的原子；催化剂层中的催化剂颗粒之间呈孔状结构。
19.催化剂层上催化剂的面积质量负载为1mg cm-2
。
20.扩散层含有磁性材料的一侧上，还留有与空气能够直接接触的区域；孔状结构的尺寸范围是1-50μm。
21.所述的催化剂层中不含有有机粘结剂。
22.所述的扩散层选自多孔材料，如泡沫金属等。
23.所述的带磁性金属的原子是铁、钴、镍、钕、钐、或者镧系稀土金属中的一种或几种。
24.在催化剂中，带磁性金属的原子在化学结构中所占的质量百分比10-40wt％。
25.所述的催化剂可以是钴碳基催化剂、铁碳基催化剂、镍碳基催化剂、铁磁性过渡金属氧化物催化剂(如：co3o4、fe2o3、nio)。
26.上述的空气极结构的制造方法包括如下步骤：
27.步骤1，获得扩散层；
28.步骤2，将催化剂、导电填料和溶剂混合后，作为浆料，涂于扩散层的一侧；并且，同时保持在扩散层的另一侧放置磁性材料，用于通过磁力固定催化剂；
29.步骤3，将浆料中的溶剂用钠灯烤干。
30.其中，催化剂和导电填料的重量比0.5:1，在浆料中催化剂的浓度是10mg ml-1
。
附图说明
31.图1是磁粘结和磁分离co-ncntfs原理示意图。a)在充电条件下co-ncntfs催化剂用磁操控电极和常规聚合物粘结剂连接的示意图b)放电条件下磁操控co-ncntfs的电子和离子输运示意图c)磁操控co-ncntfs电池和co-ncntfs粘结剂电池的回收过程。
32.图2是co-ncntfs电催化剂的制备及结构表征。a)co-ncntfs合成路线示意图。b)co-ncntfs的xrd图谱、c)sem和d)放大sem图像、e)彩色tem图像、(f，g)hrtem图像、h)stem-haadf和i-l)元素扫描图像。
33.图3是co-ncntfs电催化剂的物理化学表征。a)氮吸附-脱附等温线，b)raman光谱，c)xps测量光谱，d)c 1s，e)n 1s和f)co 2p区域的高分辨xps光谱。
34.图4是orr和oer电催化性能。a)0.1m koh浓度下co-ncntfs、pt/c和ruo2催化剂的orr曲线和b)对应的tafel斜率图。c)在0.5v恒定电位下，用计时电流的方法测试co-ncntfs和pt/c的稳定性。
35.图5是磁操控电极和nafion粘结剂电极的电池性能。a)磁操控空气极电池的示意图b)充放电极化曲线c)放电极化曲线和对应的功率密度d)恒定电流密度下电池放电的比容量e)磁操控co-ncntfs和nafion粘结剂(pt/c+ruo2)的电池倍率性能f)在充电1，100，200和300h时，比较不同空气极的抗粉化性能；g)在2ma cm-2
电流密度下，不同空气极的充放电循环性能对比。
36.图6是分别使用原始co-ncntf和空气老化co-ncntfs电催化剂对zabs进行恒电流循环。图7回收co-ncntfs催化剂及质量评价。a)从废弃锌-空气电池空气极中借助磁力辅助回收co-ncntfs的实验过程。b)使用回收的co-ncntfs组装的锌-空气电池的循环性能。c)在不同循环周期，即200和500小时连续充放电的co-ncntfs的磁滞回线对比图。d)使用回收的co-ncntfs组装的锌-空气电池的可持续为led灯供电超过200小时。
具体实施方式
37.本发明中提供了一种锌-空气电池催化剂，其中含有石墨碳材料，并且在石墨碳上生长在碳纳米管，在碳纳米管的内部和/或端部中还含有钴和氧化钴；钴和氧化钴的存在使得催化材料表面出了较好的orr和oer性能，同时由于钴基材料的磁性，使得其易被磁性材料所固定，避免了制造空气极的催化层时需要使用粘结剂导致的寿命下降的问题。同时，在该材料中还通过掺杂氮元素，使得催化剂磁性得到增强，利于使其在磁力材料的作用下保持层状结构。
38.在一个实施方式中，本发明提供的是一种钴嵌入氮掺杂的碳纳米管的碳复合材料(缩写为co-ncntfs)，并且利用磁铁将催化剂吸附在空气极上，作为磁操控电极。这种载有磁操控电极的锌-空气电池循环时间可长达1200小时(7200次循环)，比传统方法制备的锌-空气电池循环高出8倍。通过磁分离技术实现了从废弃的zabs中回收co-ncntfs催化剂，并证明了回收的co-ncntfs催化剂的电池性能。
39.本发明中的空气极结构在扩散层的一侧覆有催化剂层，另一侧上的部分区域上设有磁性材料，用于通过磁力固定催化剂层，催化剂层用于对氧气进行还原反应；其中，催化剂层上的催化剂的化学结构中含有带磁性金属的原子；催化剂层中的催化剂颗粒之间呈孔状结构。
40.基于以上的结构，当采用含有磁性金属原子的催化剂时，由于其本身具有的磁性，可以被磁力材料所固定，进而避免了使用有机粘接剂；这里可以采用的带有磁性的原子可以是铁、钴、镍、钕、钐、或者镧系稀土金属中的一种或几种，只要是能够使得催化剂一方面具有相应的催化性能，另一方面具有磁性即可；除了金属原子外，催化剂中也可以是如现有技术中的碳基材料，如碳纳米管、石墨片、石墨烯等，也可是如其他的一维或二维材料，只要能够使得金属催化剂可以得到负载，并且具有导电性的材料即可。其中优选采用钴基材料，这是由于其具有较多的变价，具有较好的oer和orr性能。
41.上述的结构中的另一个关键点在于催化剂颗粒之间的孔状结构，正是利益于这种形貌结构，使得在运行过程中所产生的气泡可以自由进出，而不会挤占催化剂层的空间，使得催化剂粉化的发生。
42.在上述的结构时，当磁性材料位于扩散层的另一侧时，其所覆盖的面积只应当为部分面积，而不应该使得氧气进入的通道被阻挡。就如图5a所示的这样，当采用环形磁铁时，其内部的空间可以供氧气流入。当然，磁性材料与扩散层之间也可以隔开少量距离，只要能够保持在运行过程中催化剂被磁性吸引后结构稳定，且氧气可以自由进入即可。
43.图1是利用磁操控工艺对锌-空气电池(zabs)进行抗粉化和可回收过程的示意图。锌-空气和锂空气电池电极上产生气泡会影响能量和质量的传递。此外，充电过程中空气电极上会产生大量大型的气泡，这会严重影响空气电极的结构稳定性。气体逸出电极的过程通常会分为气泡成核、生长和分离阶段。如图1的a所示，普通的阴极催化剂使用聚合物作为粘合剂，然而co-ncntfs被粘合剂紧紧包裹，o2气泡很难从电极上分离。由于充电电极产生大量气泡无法排出，从而使得空气电极粉化。如图1的a、b所示，当使用磁铁作为粘合剂时阴极催化剂(co-ncntfs)在空气电极上具有阵列式的排列。这种结构不仅有利于电子、离子和氧气持续通过，而且还可以使得o2气泡自由进入，防止空气电极粉化。此外，普通(聚合物)粘合剂比磁性粘合剂价格昂贵，难以传输电子，并且碱性电解质在zabs长时间浸泡容易变质和失去粘性。所以废旧电池的回收将成为zab广泛商业化应用的研究重点。如图1的c所示为普通(聚合物)粘合剂和磁性粘合剂的zab中回收废弃电池阴极催化剂(co-ncntfs)的过程。在传统的回收过程中，从集流体和(聚合物)粘结剂上分离催化剂是一个困难和耗时的过程。阴极催化剂可以很容易地从磁性粘结剂基zabs中收集，只需去除磁场即可回收，整个回收过程对环境友好并且消耗成本较低。
44.考虑到钴掺入含氮复合碳材料会产生很强的磁性，所以我们使用co-ncntfs为zabs磁操控空气电极的催化剂。co-ncntfs的制备过程如图2的a所示。
45.实施例1co-ncntfs催化剂合成过程：
46.co-ncntfs的合成包括四个步骤(1)首先将6.77g二甲基咪唑粉末溶于40ml甲醇和40ml乙醇的混合溶液中。同时，将6.9g co(no3)
2-6h2o粉末溶解在40ml甲醇和40ml乙醇的混合溶液中。将两种溶液在搅拌下混合120秒后在室温下保存20小时。再将混合溶液抽滤得到紫色沉淀zif-67晶体，在乙醇中洗涤数次后在80℃条件下干燥过夜。(2)将zif-67粉末平铺在方形瓷坩埚中，在h2(10％)/ar气体中350℃加热1.5h，流速为100sccm，升温速率为2℃ min-1
。随后，将温度升高到700℃(2℃ min-1
)维持3.5h，并在管式炉中自然冷却至室温后收集黑色粉末co-ncntfs。(3)将co-ncnts粉末在0.5m h2so4溶液中室温处理12h。(4)经过酸处理的co-ncntfs产品在100℃下空气老化2天，然后存放在手套箱中。
47.以上步骤的合成原理是：首先采用现有的zif-67晶体的合成方法，获得zif-67晶体，选择zif-67的考量因素在于其钴含量较高，也可以采用其他的一些含钴的配位化合物；继续在还原性气氛中进行焙烧处理时，钴的催化作用可以使得表征生长出碳纳米管，其不仅可以作为钴的载体，也是作为良好的电子通道；接下来，通过酸洗的作用是将部分多余的钴去除；最后通过空气老化的目的是使得经过还原反应生成的钴的表面继续被氧化生成部分的钴的氧化物，其是用于提升材料的氧析出性能。
48.实施例2磁性粘接的空气极的制造
49.首先，将质量比为2：1的催化剂和乙炔黑分散在含有乙醇的混合溶液中，得到催化剂浓度为10mg ml-1
的催化剂黑色浆料。使用环形磁体作为粘结剂，将所得催化剂浆料滴涂到气体扩散层的一个面上(面积质量负载为1mg cm-2
)。等溶剂蒸发之后，将空气阴极组装到锌-空气电池中进一步测试。
50.对照例1
51.为了对比，将实施例1中得到的co-ncntfs样品在2m hcl溶液中处理5天得到了不含钴的ncntfs样品。
52.对照例2普通空气电极的制造：
53.普通聚合物粘结剂空气阴极制备过程：首先，将质量比为2∶1的催化剂和乙炔黑分散在体积比为9∶1的乙醇和nafion(5％)的混合溶液中，超声30分钟得到催化剂浓度为10mg ml-1
的黑色浆料。然后，将均匀分散的催化剂浆料滴涂到气体扩散层的表面上(负载为1mg cm-2
)。用压片机将气体扩散层、催化剂和泡沫镍集流体压成空气阴极。
54.图2的b显示了所制备的co-ncntfs的xrd图，证实了石墨碳(jcpds no.96-101-1061)和金属钴(jcpds no.96-901-1619)的共存。图2的c、d可看出co-ncntfs的sem图像，显示出规则的金刚石十二面体的结构，具有明确的直边、菱形面和海胆状表面。从图2的e的透射电子显微镜(tem)图像可进一步观察到碳纳米管和多面体共存的形态。图2的f和g显示co、coo
x
和cnt相界面的高分辨率透射电子显微镜(hrtem)图像，可以看出co和coo
x
颗粒被多层石墨碳层包裹。图2的g表示图2的f的选定区域(虚线)中金属co相(晶格间距)和非晶coox相的存在。进一步使用高角环形暗场扫描透射电子显微镜高角度环形暗场(stem-haadf)来确认形态和成分。如图2的h和图2的i-l所示，展示了co-ncntf的多面体形貌以及对应的c、n、co和o元素在十二面体上的分布。
55.通过n2吸附/解吸测试，证明了co-ncntfs的孔结构为i型(在相对较低和中等压力下)和iv型(在相对较高压力下)等温线，并有明显的滞回线。如图3a所示，co-ncntfs样品具有高的bet比表面积321m2g-1
和大的孔体积2.82cm3g-1
。co-ncntfs样品的孔径分布(图3a)，平均孔径为3.8nm，存在丰富的介孔。用拉曼光谱分析了样品的相组成。如图3b所示，co-ncntfs的raman光谱显示1354cm-1
和1587cm-1
位置附近两个raman峰为缺陷型的sp3杂化碳和石墨化的sp2杂化碳，其两者之间的强度比可以比较碳材料的石墨化程度。计算出id/ig值为1.12，这是由于n掺杂导致co-ncntfs存在大量的结构缺陷。为了进一步了解co-ncntfs样品表面的化学组成和电子结构，我们测试了x射线光电子能谱(xps)。xps图像看出co-ncntfs存在c、n、o和co四种元素(图3c)，每种元素按原子百分比的含量分别为79.5、9.0、7.5和4.0％。根据热重曲线计算，co-ncntfs复合材料中的co含量约为37wt％,图3d给出了co-ncntfs的高分辨c1s谱，可分为c-c(284.5ev)和c＝n(285.6ev)两个峰。对于co-ncntfs的高分辨率n1s谱(图3e)，位于398.5ev、399.6ev和401.0ev的峰分别为吡啶氮(或金属氮)、吡咯氮和石墨氮。图3f所示的co 2p谱有2p
3/2
和2p
1/2
两种状态，它们的峰分别位于778.49/793.09、779.89/795.39和781.49/797.79ev处，可以归类为金属co、co-o和co-n物种。基于表征的结果，可以确定co-ncntfs中金属co、非晶态co化合物(coo
x
,con
x
)和n掺杂的cnts共存，说明co-ncntfs存在磁性并且具有良好的orr和oer性能。
56.为测试催化剂的电化学性能和反应动力学，我们在旋转环盘电极(rde)上测试orr和oer性能。本工作主要使用三电极体系的旋转圆盘电极、氧饱和的0.1mol koh为电解液以
及贵金属pt/c和ruo2分别作为orr和oer对比参考。催化剂的负载面积为0.25mg cm-2
。co-ncntfs、ruo2和pt/c的orr lsv曲线如图4的a所示。co-ncntfs的orr半波电位(e
1/2
)为0.82v vs rhe，与pt/c(0.81v vs rhe)非常接近，远优于ruo2(0.55vvs rhe)。较小的tafel斜率代表较好的orr性能，图4的b中的tafel曲线看出co-ncntfs电催化剂(81mv dec-1
)的orr性能优于pt/c(84mv dec-1
)和ruo2(149mv dec-1
)。在1600rpm转速下的测试co-ncntfs和pt/c催化剂计时电流稳定性。如图4的c所示，co-ncntfs催化剂在10h后电流密度仍保持初始的96％，而pt/c催化剂在7.1h后仅保持初始电流密度的78.2％。
57.进一步地对磁操控电极和普通粘结剂电极作为液态锌-空气电池氧电极的性能进行考察。如图5的a所示，磁操控zabs中的空气电极由co-ncntfs催化剂、泡沫镍、空气扩散层和环形磁体组成。图5的b看出co-ncntfs磁操控电池在50ma cm-2
下的电位差为1.10v，略低于nafion粘结pt/c+ruo2的电池充放电过电位(1.19v)。这表明磁性粘结剂电池具有更好的充放电性能。如图5的c所示，相应功率密度证明在电流密度为230ma cm-2
时，磁操控的co-ncntfs电池的最大功率为158mw cm-2
，优于nafion粘结pt/c+ruo2的电池(160ma cm-2
；120mw cm-2
)。如图5的d所示，在10ma cm-2
对电池进行长时间放电时，算出锌片消耗的质量后得到电池比容量为795mah g-1
，对应能量密度为954wh kg-1
，超过了nafion粘结pt/c+ruo2的电池(721mah g-1
；793wh kg-1
)。图5的e显示在电流密度为1,2,5,10和20ma cm-2
时，磁操控的co-ncntfs锌-空气电池比nafion粘结pt/c+ruo2的锌-空气电池表现出更好的倍率性能。
58.由于在实际情况下自制电池的空气阴极不同于旋转圆盘电极可以消除o2气泡，所以锌-空气电池实际反应中应充分考虑空气极中的o2的积聚，为了证明o2气泡对zabs阴极反应的影响，我们设计了一个可原位观察的电解池来观察充电过程。电解池主要由空气电极、zn电极和koh电解液组成，电解液中预先溶解zn
2+
离子以模拟放电后的离子环境。为了对比磁操控与普通粘结剂对空气极的影响，我们分别制备了镍集流体、磁性粘结剂和nafion粘结剂组成的空气电极。支持信息里实验部分描述了详细的电解池组装信息。图5的f给出了电流密度为2的条件下，载有co-ncntfs磁性粘结剂和co-ncntfs+nafion粘结剂的电极在不同时间(1，100，200和300小时)的比较。结果表明，co-ncntfs+nafion粘结剂电极在300小时充电过程中，催化剂的粉化和脱落更加严重。而载有co-ncntfs的磁操控电极上面催化剂基本没有脱落。另外co-ncntfs+nafion粘结剂电极上的o2比磁性粘结剂基空气电极聚积更明显(白色圆圈标注)。这将归因于两种空气极的结构，磁操控电极疏松多孔，允许o2气泡自由逸出，而nafion粘结剂电极平整孔较少，这会使得o2气泡难以分离。为了证明磁操控的co-ncntfs电池的稳定性，我们在2电流密度的条件下进行了充放电循环测试。图5的g可看出磁性粘结剂连接的co-ncntfs具有优异的循环稳定性，在1200小时内保持68.1％的能量效率。而co-ncntfs+nafion粘结剂的电池在200小时内的能量效率就为64.3％,商用(pt/c+ruo2)电池在100小时内的能量效率为56.1％。这些结果都表明磁操控的co-ncntfs电池比普通粘结剂电池性能好。值得注意的是，在空气中老化的co-ncntfs(含coo
x
)的电池有较窄的充放电电位间隙(δe＝0.71v)下且表现出超过200h的稳定循环性能，而使用原始co-ncntfs(不含coo
x
)的电池在130h内极化的很明显(如图6)。这些结果都表明coo
x
对zabs有积极的影响。
59.循环结束后co-ncntfs+nafion粘结剂的锌-空气电池无法回收。而磁操控co-ncntfs的电池仅用三个步骤即可回收，如图7的a所示。首先将要回收的空气极放入阴极蒸馏水中，然后超声几分钟得到浓度约10mg ml-1
的co-ncntfs黑色悬浮液。然后磁铁放到玻璃
侧壁，co-ncntfs将会快速(约80秒)从悬浮液中分离出来。最后，co-ncntfs粉末在80℃干燥5小时。通过xrd图谱、sem图像、tem/hrtem图像、xps光谱和raman光谱都证实了回收的co-ncntfs催化剂保持着完整的结构和形貌。如图7的b所示，从废电池中回收的co-ncntfs(已进行1200小时循环测试)的电池显示出超过500小时稳定的循环测试，且充放电电位间隙较窄(δe＝0.86v)，表明co-ncntfs具有可回收价值。

技术特征：
1.一种锌-空气电池催化剂，其中含有石墨碳，其特征在于，且在石墨碳上还分布有碳纳米管，在碳纳米管中包覆有co以及co的氧化物，且在催化剂中还掺杂有氮元素；催化剂的粒径范围0.5-5μm。2.根据权利要求1所述的锌-空气电池催化剂，其特征在于，氮元素的存在形式是吡啶氮、金属氮、吡咯氮或者石墨氮；co在催化剂中所占的质量百分比是10-50wt％。3.权利要求1所述的锌-空气电池催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，获得含co、n、c的配位化合物材料，并在还原气氛下进行煅烧处理；步骤2，产物在稀酸中处理使部分钴被溶出后，在空气中老化处理生成钴的氧化物，得到催化剂。4.权利要求3所述的锌-空气电池催化剂的制备方法，其特征在于，所述的含co、n、c的配位化合物材料是钴基mof材料；所述的含co、n、c的配位化合物材料是钴基mof材料；所述的钴基mof材料选自zif-67、mof-74(co)、mof-24(co)、mof-100(co)。5.权利要求3所述的锌-空气电池催化剂的制备方法，其特征在于，所述的还原气氛是由氢气和惰性气体混合而成，体积比1:5-15；煅烧处理中是在250-400℃下煅烧1-3h，再在600-800℃条件下煅烧2-5h。6.权利要求3所述的锌-空气电池催化剂的制备方法，其特征在于，稀酸中处理是指0.1-1m的稀酸溶液中处理2-20h；老化处理是在80-120℃下处理1-3天。7.一种空气极结构，包括扩散层，其特征在于，扩散层的一侧覆有催化剂层，另一侧上的部分区域上设有磁性材料，用于通过磁力固定催化剂层，催化剂层用于对氧气进行还原反应；其中，催化剂层上的催化剂的化学结构中含有带磁性金属的原子；催化剂层中的催化剂颗粒之间呈孔状结构；所述的催化剂层中不含有有机粘结剂。8.根据权利要求7所述的空气极结构，其特征在于，催化剂层上催化剂的面积质量负载为0.5-5mg cm-2
；扩散层含有磁性材料的一侧上，还留有与空气能够直接接触的区域；孔状结构的尺寸范围是1-50μm。9.根据权利要求7所述的空气极结构，其特征在于，所述的扩散层是多孔材料；所述的带磁性金属的原子是铁、钴、镍、钕、硼、钐、钴或者镧系稀土金属中的一种或几种；所述的催化剂可以是钴碳基催化剂、铁碳基催化剂、镍碳基催化剂、铁磁性过渡金属氧化物催化剂；在催化剂中，带磁性金属的原子在化学结构中所占的10-50wt％质量百分比。10.权利要求7所述的空气极结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，获得扩散层；步骤2，将催化剂、导电填料和溶剂混合后，作为浆料，涂于扩散层的一侧；并且，同时保持在扩散层的另一侧放置磁性材料，用于通过磁力固定催化剂；步骤3，将浆料中的溶剂蒸除。其中，催化剂和导电填料的重量比0.5-5:1，在浆料中催化剂的浓度是1-100mg ml-1
。

技术总结
本发明涉及一种锌-空气电池催化剂、制备方法以及可回收抗粉化的空气极结构，属于锌-空气电池电极材料技术领域。本发明中的一种磁性粘结剂吸附掺杂磁性金属的催化剂工艺，通过磁铁操控的锌-空气电池可以具有较长循环次数，也能够解决电极粉化的问题。此外，可以使用磁分离技术回收废钴催化剂。回收后的催化剂还可以继续稳定循环运行。可以继续稳定循环运行。


技术研发人员：廖开明 孙振宇 周嵬 王翠娥
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/8/13