[发明专利]一种碳载铱锰金属间化合物双功能电催化材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种碳载铱锰金属间化合物双功能电催化材料及其制备方法。该方法是将铱和锰的可溶性前驱体通过浸渍法分散于碳载体，然后将所得到的碳载前驱体在还原性气氛中进行还原和有序化处理，即可得到碳载的有序结构铱锰电催化材料。O‑IrMn₃/C材料具有超高的氧析出活性和良好的氧还原性能，同时有序化的IrMn₃化合物也使得催化剂本身具备很好的稳定性。本发明的O‑IrMn₃/C材料，其制法简易，同时很大程度地降低了贵金属铱的使用，作为高性能的双功能催化剂可应用于锌空、锂空等金属空气电池。

技术领域

本发明涉及新能源材料技术领域，具体涉及一种碳载铱锰金属间化合物双功能电催化材料及其制备方法，及在双功能电催化氧还原(ORR)与氧析出(OER)反应中的应用。

技术背景

化石能源的日渐枯竭以及近百年来大量使用化石能源造成的能源短缺和环境污染等问题，使得人类社会迫切地需要开发高效、清洁及可持续的新型能源储存和转化方式。可逆金属空气电池作为一种具有高能量密度及零排放等特点的装置，被誉为是当前最具希望的能源储存和转化系统之一，对缓解我国对化石类能源的依赖有重要的战略意义。可逆金属空气电池的核心反应是ORR和OER，其最大的挑战就是开发高活性和稳定性的催化剂材料，以提高ORR与OER的效率。ORR反应以铂(Pt)基催化剂的活性最佳，其OER活性却非常的差。OER反应以铱(Ir)基催化剂的活性最优，其ORR活性则并不理想。由于ORR与OER所进行的电势范围不同，仅有少数材料才能同时具备ORR与OER的催化活性。当前研究较多的ORR与OER双功能催化剂，通常采用将两种分别具备较好ORR和OER活性的材料复合在一起的方法制备出来。通过复合的方法制备出来的材料可同时具备ORR和OER的活性，但由于复合材料所应用的电势范围变广，其稳定性却不能得到保证。

金属间化合物是具有长程有序晶体结构的化合物，与合金相比，其活性和稳定性更高。锰(Mn)及其氧化物具有较好的氧还原活性，将Ir与Mn制备成有序的IrMn₃金属间化合物(O-IrMn₃)，可将Mn的ORR性能与Ir的OER性能结合于O-IrMn₃这一物质。其长程有序的结构也使得O-IrMn₃的稳定性得到提高，且相比于商用Ir/C催化剂，可大大降低贵金属Ir的用量。研制碳载O-IrMn₃金属间化合物材料，有望突破可逆金属空气电池的技术难题，实现可逆金属空气电池的大规模应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳载铱锰金属间化合物及其制备方法，该催化剂具有优异的氧还原(ORR)和氧析出(OER)电催化活性和稳定性，可应用于可逆金属空气电池。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种碳载铱锰金属间化合物双功能电催化材料的制备方法，将碳粉超声分散于含有铱和锰前驱体的水溶液中，通过蒸发水溶剂得到碳载铱锰氢氧化物复合物；然后在还原气氛下进行热处理，将铱锰前驱体转变成O-IrMn₃金属间化合物，即得碳载铱锰金属间化合物材料。

一种碳载铱锰金属间化合物双功能电催化材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将碳粉超声分散于含铱和锰前驱体的水溶液中，得到分散液；所述铱前驱体包括可溶于水的铱盐及其水合物中的一种或组合；所述碳粉的加入量为金属铱和锰质量和的1.2 ~ 5.7倍；锰-铱金属的原子比为1.0:1 ~ 6.0:1；所述锰前驱体包括可溶于水的锰（II）盐及其水合物中的一种以上；

(2)将步骤(1)所得分散液加热搅拌以蒸干水溶剂，得到粉末；

(3) 将步骤(2)所得粉末研磨后加入管式炉中，通入还原性气体，进行还原和有序化热处理，得到碳载O-IrMn₃金属间化合物材料，即碳载铱锰金属间化合物双功能电催化材料。