[发明专利]一种锰氮共掺杂碳纳米片电催化剂的制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种锰氮共掺杂碳纳米片电催化剂及其制备方法，其包括以下步骤：将六水合硝酸锌溶液与2‑甲基咪唑溶液混合反应，过滤得ZIF‑8纳米片前驱体，然后将ZIF‑8纳米片前驱体与氯化锰分别分散到有机溶剂中，混合搅拌，过滤得固体后进行热处理即可。本发明中的电催化剂为二维纳米片状结构，比表面积大，有利于活性位点的暴露，由金属骨架材料ZIF‑8为前体制备，具有更高的稳定性以及优良的催化活性。通过吸附和碳化实现锰金属与氮的掺杂，制备方法简单，易于推广。

技术领域

本发明属于新能源和新材料应用技术领域，具体涉及一种锰氮共掺杂碳纳米片电催化剂的制备方法与应用。

背景技术

能源需求的不断增长和环境问题的日益严重促进了对可再生能源转换和存储系统的需要。以金属空气电池和微生物燃料电池为代表的新一代燃料电池具有对生态环境友好、安全性高等特点，被视为下一代清洁能源装置。燃料电池阴极上的氧还原反应(oxygenreduction reaction ORR)动力学缓慢，所以阴极电催化剂的选择对于新型电池的性能至关重要。

贵金属Pt及其合金是一种在早期广泛使用的燃料电池阴极ORR催化剂，它良好的催化活性可以降低ORR过电位，提高电流密度，但是其储量稀少、价格昂贵，大规模应用的成本过高。同时，Pt基催化剂的稳定性差、容易中毒，所以必须寻找一种可以代替Pt的价格低廉、性能稳定的电催化剂。

金属锰自然资源丰富、价格低廉，因此成为了代替Pt催化剂的一种选择。在碱性条件下，氧化锰类催化剂因为具有较大的比表面积和高浓度的活性位点，在ORR反应中表现出良好的催化活性，然而在可逆性和导电性方面表现较差，难以进行商业化生产。有研究发现嵌入碳中的MnN₄具有具有较高的催化活性和稳定性。但是Mn原子在热处理过程中容易形成不稳定和不活泼的氧化物。因此想要实现Mn-N-C催化剂的高活性，就要深入研究如何不生成氧化物团聚体并增加活性位点密度的制备方法。

发明内容

本发明的第一个目的在于针对现有技术中存在的一些问题，提供一种锰氮共掺杂碳纳米片电催化剂的制备方法。

本发明的第二个目的在于提供上述制备方法制备的电催化剂。

本发明的第三个目的在于提供上述电催化剂的应用。

本发明所采取的技术方案是：

本发明的第一个方面，提供一种锰氮共掺杂碳纳米片电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将六水合硝酸锌溶液与2-甲基咪唑溶液混合反应，过滤得ZIF-8纳米片前驱体；

(2)将步骤(1)中所述ZIF-8纳米片前驱体与氯化锰分别分散到有机溶剂中，混合搅拌，过滤得固体；

(3)将步骤(2)所述固体干燥后进行热处理，即得所述锰氮共掺杂碳纳米电催化剂。

根据本发明第一个方面所述的锰氮共掺杂碳纳米片电催化剂的制备方法，步骤(1)中所述六水合硝酸锌与2-甲基咪唑的摩尔比为1：(4～12)。

优选地，根据本发明第一个方面所述的锰氮共掺杂碳纳米片电催化剂的制备方法，步骤(1)中所述六水合硝酸锌与2-甲基咪唑的摩尔比为1：8。

根据本发明第一个方面所述的锰氮共掺杂碳纳米片电催化剂的制备方法，步骤(1)中所述混合具体为：在超声条件下，将所述六水合硝酸锌与2-甲基咪唑分别分散在去离子水中，超声分散至均匀之后混合。

根据本发明第一个方面所述的锰氮共掺杂碳纳米片电催化剂的制备方法，步骤(2)中所述氯化锰为0.25～2.0mmol。

优选地，根据本发明第一个方面所述的锰氮共掺杂碳纳米片电催化剂的制备方法，步骤(2)中所述氯化锰为0.75mmol。