[发明专利]一种核壳状二氧化锰/氧化镍氧还原催化剂的制备方法

说明书

本发明涉及催化和纳米材料领域，特别是可以将其应用到金属‑空气电池以及燃料电池中。公布了一种核壳状二氧化锰/氧化镍复合催化剂材料的制备过程。首先通过简单的共沉淀法合成了一种形貌均一、尺寸均匀的二氧化锰前驱体，在此基础上，通过水浴加热搅拌的方法将镍包覆到二氧化锰前驱体上，经洗涤干燥后通过煅烧得到最终产物。以其作为氧还原电催化剂表现出优异性能。该催化剂在0.1M的碱性氢氧化钾溶液中进行氧还原性能测试，纳米二氧化锰/氧化镍复合催化剂材料的氧还原性能可与贵金属催化剂Pt/C相媲美。此外，该催化剂制备工艺简单，所需原料丰富，价格低廉，合成周期短。

技术领域

本发明用于催化和纳米材料领域，主要涉及一种核壳状二氧化锰/氧化镍氧还原催化剂的制备方法及其在该领域的应用。

背景技术

随着对可再生能源需求的不断增长，能源的过度消耗已经为人类敲响了警钟。可持续性引起了广泛的关注，并迅速成为现代社会的焦点。因此，人们致力于开发低成本、高效的储能装置。二次金属-空气电池因其能量密度大、成本低、环境友好性好而受到人们的广泛关注。然而，氧还原反应(ORR)动力学的迟缓严重限制了金属-空气电池的整体效率。目前，贵金属催化剂Pt和IrO₂分别被认为是最优秀的氧还原和氧析出催化剂。然而，有限的资源和昂贵的价格阻碍了它们的实际应用。因此，迫切需要开发具有成本效益、性能稳定、效率高的电催化剂，以满足可充电锌-空气电池的要求。非贵金属催化剂，如过渡金属氧化物(如MnO_x、CoO_x和FeO_x)已被深入研究。在所有潜在的候选材料中，二氧化锰是一种广泛使用且价格低廉的氧还原反应催化剂，且因其低成本和生态友好性而备受关注。

我们选用价格便宜易得二氧化锰作为前驱体，过渡金属氧化物选用具有价态可变、结构可控特点的氧化镍。将二者结合制备出了纳米二氧化锰/氧化镍复合高效氧还原催化剂，在相同测试条件下，其氧还原催化性能可与贵金属催化剂相媲美。

发明内容

根据以上提出的问题，本发明设计了一种二氧化锰/氧化镍的复合材料，具体方案如下：

(1)将一水合硫酸锰溶于一定量的去离子水和无水乙醇中，得到溶液A。将碳酸氢铵溶于一定量的去离子水中，得到溶液B。将溶液B缓慢倒入溶液A中，搅拌两小时后离心干燥。

(2)将(1)所得产物放置于电阻炉中煅烧，得到二氧化锰前驱体。

(3)将(2)所得产物分散于80毫升去离子水中，加入六水合硝酸镍并超声分散。在90℃的水浴中搅拌四个小时，离心干燥。

(4)将(3)所得产物放置于电阻炉中煅烧三小时，得到最终产物。

第一步中，将2.1克一水合硫酸锰溶于200毫升去离子水和160毫升无水乙醇的混合溶液中，得到溶液A。将9.5克碳酸氢铵溶于200毫升去离子水中，得到溶液B。将溶液B缓慢倒入溶液A中，搅拌两小时。用去离子水离心两次，无水乙醇离心一次，在80℃的烘箱中干燥12小时。

第二步中，将(1)所得产物在电阻炉中以2℃/min的升温速率升温到400℃，保温5小时后自然冷却至室温，得到二氧化锰前驱体。

第三步中，取1克(2)所得前驱体置于80毫升去离子水中，加入0.195克六水合硝酸镍并超声分散30分钟。

第四步中，煅烧温度为400℃，升温速率为2℃/min。

附图说明

图1为具体实施方式实例中制备的二氧化锰前驱体的X射线衍射图。

图2为具体实施方式实例中制备出的二氧化锰/氧化镍复合催化剂材料的透射电镜图像。

图3为具体实施方式实例中以制备的二氧化锰/氧化镍复合催化剂在0.1M的氢氧化钾碱性条件下测得的氧析出反应的极化曲线。

具体实施方式