[发明专利]一种α-二氧化锰及其制备方法和一种电催化剂

说明书

本发明提供了一种α‑二氧化锰的制备方法，该方法通过改变反应温度和时间能够实现对α‑二氧化锰中Mn³⁺含量的调控；而且制备得到的α‑二氧化锰与氮掺杂导电碳粉复合后得到的催化剂具有比较优良的氧还原和氧析出催化性能；本发明的方法掺杂三价锰离子与α‑二氧化锰的制备能够一锅法完成；而且反应条件温和，合成过程简单，绿色环保。

技术领域

本发明涉及锰氧化物制备技术领域，尤其涉及一种α-二氧化锰及其制备方法和一种电催化剂。

背景技术

在快速发展清洁和可再生能源转换/储存技术(包括燃料电池、金属/空气电池)方面，需要高效的氧还原和氧析出反应(ORR/OER)电催化剂。众所周知，贵金属铂及其合金被认为是最有效的商业ORR催化剂，而钌氧化物和铱氧化物则是最常用的OER催化剂。然而，它们的高成本和稀缺性已经成为大规模商业应用的主要障碍。因此，迫切需要为ORR和OER开发高效的替代品。

近年来，各种非贵金属材料已被开发用于ORR或OER，如各种碳材料、聚合物和过渡金属氧化物。其中，二氧化锰因其丰度高、成本低、环境友好、催化活性高而受到越来越多的关注。据报道，在五种不同晶型的二氧化锰中，α-MnO₂表现出最优的氧还原和氧析出双功能电催化性能。

研究发现，在α-MnO₂中适当引进Mn³⁺，能够提高其对氧还原反应和氧析出反应(ORR和OER)的电催化性能。

然而，现有技术中仅仅公开了利用氧化还原反应制备α-MnO₂，但是并没有关于α-MnO₂中Mn³⁺含量调控方法的相关报道，使Mn³⁺的含量不可控，进而影响α-MnO₂电催化性能的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种α-二氧化锰的制备方法，该方法能够实现对α-MnO₂中Mn³⁺含量的调控，提高其电催化性能的稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种α-二氧化锰的制备方法，包括以下步骤：

将硫酸锰、高锰酸钾、水和盐酸溶液混合，在100～180℃条件下进行水热反应0.5～72h，得到α-二氧化锰；所述α-二氧化锰中Mn³⁺与Mn⁴⁺的质量比为0.5～1.0。

优选的，所述硫酸锰和高锰酸钾的摩尔比为10～15:6～10。

优选的，所述盐酸溶液的质量分数为35～40％。

优选的，所述盐酸溶液的体积与高锰酸钾的摩尔比为5～6mL：6～10mmol。

优选的，所述水热反应的温度为120～150℃，时间为6～48h。

优选的，所述水热反应后还包括：将所得水热反应体系进行过滤，将所得固体物料进行干燥，得到α-二氧化锰。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的α-二氧化锰，所述α-二氧化锰中Mn³⁺与Mn⁴⁺的质量比为0.5～1.0。

本发明提供了一种电催化剂，包括上述技术方案所述的α-二氧化锰和氮掺杂导电碳粉，所述α-二氧化锰和氮掺杂导电碳粉的质量比为1:1.8～2.2。

优选的，所述氮掺杂导电碳粉中氮的掺杂量为3.06～11.49％。

本发明提供了一种α-二氧化锰的制备方法，该方法通过改变反应温度和时间能够实现对α-MnO₂中Mn³⁺含量的调控；