一種金屬空氣電池電極催化劑及其制備方法和應(yīng)用
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于材料合成領(lǐng)域，公開(kāi)了一種金屬空氣電池電極催化劑及其制備方法和應(yīng)用。制備方法按照兩步法，具體操作步驟：將無(wú)定型MnO2與等摩爾量的硫酸鹽加入至蒸餾水溶液當(dāng)中，加入酸將溶液H離子濃度調(diào)整為1～3mol/L，在80℃溫度下靜置反應(yīng)24h以上，所得產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾、洗滌而后干燥即得到金屬空氣電池電極催化劑。該制備方法簡(jiǎn)單，控制方便，產(chǎn)量大，易于工業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)。制備的金屬空氣電池電極催化劑作為電極活性材料，在氧還原性能測(cè)試中表現(xiàn)出良好的催化性能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種金屬空氣電池電極催化劑及其制備方法和應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于材料合成領(lǐng)域，特別涉及一種金屬空氣電池電極催化劑及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]清潔的可再生能源是應(yīng)對(duì)能源和環(huán)境危機(jī)的有效途徑之一，在諸多的可再生能源中，化學(xué)能源能量轉(zhuǎn)化率高，便于攜帶一直是研究的熱點(diǎn)。其中，金屬空氣電池，因?yàn)榫哂袠O高的理論能量密度，因此作為新一代動(dòng)力電池系統(tǒng)備受關(guān)注。
[0003]影響金屬空氣電池性能的主要因素之一是氧電極(空氣電極)的催化劑，這對(duì)改善電極的極化性能，提高工作和開(kāi)路電壓極為重要。氧電極的作用是在催化劑作用下發(fā)生氧還原反應(yīng)(Oxygen Reduct1n React1n，0RR)。目前，部分商業(yè)的金屬空氣電池采用的氧電極活性材料主要是Pt，Pd等貴金屬，貴金屬性能雖然好，但是價(jià)格昂貴，容易流失，因此尋找廉價(jià)、穩(wěn)定的催化劑成為研究的熱點(diǎn)。上述廉價(jià)催化劑包括各種碳材料，過(guò)渡金屬氧化物，碳化物等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種金屬空氣電池電極催化劑的制備方法。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供上述制備方法制備得到的金屬空氣電池電極催化劑。該催化劑是一種廉價(jià)過(guò)渡金屬氧化物一一氧化錳。
[0006]本發(fā)明的再一目的在于提供上述金屬空氣電池電極催化劑的應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0008]一種金屬空氣電池電極催化劑的制備方法，按照以下操作步驟:將無(wú)定型MnO2與等摩爾量的硫酸鹽加入至蒸餾水溶液當(dāng)中，加入酸將溶液H離子濃度調(diào)整為I?3mol/L，在80°C溫度下靜置反應(yīng)24h以上，所得產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾、洗滌而后干燥即得到金屬空氣電池電極催化劑。
[0009]優(yōu)選的，所述酸為硫酸。
[0010]優(yōu)選的，所述硫酸鹽為硫酸鉀或者硫酸銨。
[0011 ] 優(yōu)選的，所述無(wú)定型MnO2由如下步驟合成:將高錳酸鈉與硫酸錳加入至蒸餾水中，常溫靜置12h即得所述的無(wú)定型Μη02。
[0012]優(yōu)選的，所述高錳酸鈉與硫酸錳的摩爾比大于等于2:3。
[0013 ] —種由上述制備方法得到的金屬空氣電池電極催化劑。
[0014]上述的金屬空氣電池電極催化劑在金屬空氣電池中的應(yīng)用。
[0015]本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0016](I)本發(fā)明采用2步法制備金屬空氣電池電極催化劑，該制備方法簡(jiǎn)單，控制方便，產(chǎn)量大，易于工業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)；
[0017](2)本發(fā)明制備的金屬空氣電池電極催化劑作為電極活性材料，在氧還原性能測(cè)試中表現(xiàn)出良好的催化性能。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例1制備的催化劑X射線衍射圖。
[0019]圖2為本發(fā)明的實(shí)施例1制備的催化劑掃描電鏡圖。
[0020]圖3為本發(fā)明的實(shí)施例1所制備催化劑的電催化氧化的性能圖。
[0021 ]圖4為本發(fā)明的實(shí)施例2制備的催化劑X射線衍射圖。
[0022]圖5為本發(fā)明的實(shí)施例2制備的催化劑掃描電鏡圖。
[0023]圖6為本發(fā)明的實(shí)施例2所制備催化劑的電催化氧化的性能圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0025]如無(wú)特別說(shuō)明，以下實(shí)施例所使用的無(wú)定型Μηθ2均按如下步驟合成:將0.4mmol高錳酸鈉和0.6mol硫酸錳加入至SOmL蒸餾水當(dāng)中，攪拌溶解后靜置12h得到無(wú)定型MnO2，然后過(guò)濾、洗滌、干燥后得到無(wú)定型MnO2，待用。
[0026]發(fā)明人通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果高錳酸鈉和硫酸錳的摩爾比小于2:3時(shí)，雖然也可以得到無(wú)定型Μηθ2，但是該無(wú)定型Μηθ2作為前驅(qū)體時(shí)卻無(wú)法得到純相的α-Μηθ2，得到的是γ -
Μηθ2ο
[0027]實(shí)施例1
[0028]將0.2mmol無(wú)定型MnO2與等摩爾量的硫酸鉀加入至80mL蒸餾水當(dāng)中，加入硫酸將溶液H離子濃度調(diào)整為lmol/L，在80°C溫度下靜置反應(yīng)24h，所得產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾、洗滌而后干燥即得到金屬空氣電池電極催化劑。然后將上述電極催化劑進(jìn)行表征，其XRD衍射圖如圖1，我們可知其與JCPDF標(biāo)準(zhǔn)卡PDF#44-0141型號(hào)的Ct-MnO2對(duì)應(yīng)；圖2為本實(shí)施例制備的催化劑的掃描電鏡圖，從圖中可以看出其為一種直徑很短的一維納米棒結(jié)構(gòu)。本制備方法所選用的原料中，陰離子只含有硫酸根，有利于對(duì)于生成的Ct-MnO2進(jìn)行保護(hù)。
[0029]實(shí)施例2
[°03°] 將0.2mmol無(wú)定型Μηθ2與等摩爾量的硫酸錢(qián)加入至80mL蒸饋水溶液當(dāng)中，加入硫酸將溶液H離子濃度調(diào)整為3mo 1/L，在80°C溫度下靜置反應(yīng)24h，所得產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾、洗滌而后干燥即得到金屬空氣電池電極催化劑。然后將上述電極催化劑進(jìn)行表征，其XRD衍射圖如圖4，我們可知其與JCPDF標(biāo)準(zhǔn)卡roF#82-1450型號(hào)的Q-MnO2對(duì)應(yīng)；圖5為本實(shí)施例制備的催化劑的掃描電鏡圖，從圖中可以看出其為一種直徑很短的一維納米棒結(jié)構(gòu)。
[0031]實(shí)施例3
[0032]將實(shí)施例1所制備的金屬空氣電池電極催化劑做成電極在堿性溶液、1600轉(zhuǎn)速中測(cè)試電催化氧還原能力(其電極制備和實(shí)驗(yàn)過(guò)程為現(xiàn)有技術(shù)，在此不再詳細(xì)描述)。其電催化氧化的性能圖如圖3所示，其起始還原電位為5.39V，極限電流密度為0.87mA cm—2，3mAcm—2的電位位于0.73V，顯示了優(yōu)異的氧還原性能。
[0033]實(shí)施例4
[0034]將實(shí)施例2所制備的金屬空氣電池電極催化劑做成電極在堿性溶液、1600轉(zhuǎn)速中測(cè)試電催化氧還原能力(其電極制備和實(shí)驗(yàn)過(guò)程為現(xiàn)有技術(shù)，在此不再詳細(xì)描述)。其電催化氧化的性能圖如圖6所示，其起始還原電位為0.88V，極限電流密度為5.54mA cm—2，3mAcm—2的電位位于0.76V，顯示了優(yōu)異的氧還原性能。
[0035]上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種金屬空氣電池電極催化劑的制備方法，其特征在于按照以下操作步驟:將無(wú)定型MnO2與等摩爾量的硫酸鹽加入至蒸餾水溶液當(dāng)中，加入酸將溶液H離子濃度調(diào)整為I?3mol/L，在80°C溫度下靜置反應(yīng)24h以上，所得產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾、洗滌而后干燥即得到金屬空氣電池電極催化劑。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬空氣電池電極催化劑的制備方法，其特征在于:所述的酸為硫酸。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬空氣電池電極催化劑的制備方法，其特征在于:所述硫酸鹽為硫酸鉀或者硫酸銨。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬空氣電池電極催化劑的制備方法，其特征在于:所述無(wú)定型MnO2由如下步驟合成:將高錳酸鈉與硫酸錳加入至蒸餾水中，常溫靜置12h即得所述的無(wú)定型Mn〇2。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種金屬空氣電池電極催化劑的制備方法，其特征在于:所述高錳酸鈉與硫酸錳的摩爾比大于等于2:3。6.—種由權(quán)利要求1?5任一項(xiàng)所述制備方法得到的金屬空氣電池電極催化劑。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬空氣電池電極催化劑在金屬空氣電池中的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】H01M4/90GK105895929SQ201610264690
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月25日
【發(fā)明人】余林, 藍(lán)邦, 鄭小穎, 黃文玉, 靳福婭, 程高, 韓佳錫, 孫明, 葉飛
【申請(qǐng)人】廣東工業(yè)大學(xué)