一种二氧化锰/炭黑复合材料及其制备方法和应用技术

技术编号:18974226 阅读:191 留言:0更新日期:2018-09-19 04:20
本发明专利技术属于无机功能材料领域,公开了一种二氧化锰/炭黑复合材料及其制备方法和应用。所述二氧化锰/炭黑复合材料是以将炭黑为原料,加入去离子水制成炭黑溶液,再加入高锰酸盐溶液得到混合物,将该混合物水浴加热并超声,经抽滤、洗涤和干燥制得。本发明专利技术的制备方法过程简单,原料易得,易于实现工业化生产。该复合材料在碱性条件下有很好的氧还原活性和稳定性。操作简单、设备简单、环境友好、耗时短、易控制,易于放大合成。该复合材料可应用于锌空气电池,且和锌空气电池中的Pt/C催化剂具有相当的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化锰/炭黑复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于无机功能材料
,更具体地,涉及一种二氧化锰/炭黑复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
无论是燃料电池(如氢气-氧气燃料电池、甲醇-氧气燃料电池)还是金属-空气电池,都包含了阳极和阴极反应,其中阴极的氧还原反应(ORR)动力学很慢,速率大概是阳极反应的千分之一,过电势太高是限制燃料电池输出功率与能量效率的瓶颈。常用的ORR催化剂有贵金属如铂、铑等。铂被认为是活性最高的单组分电催化剂之一。然而,高成本,稳定性差和容易中毒等缺点限制了其实际应用。过渡金属氧化物如四氧化三钴、四氧化三铁、氧化亚铜等导电性不好,催化性能不高。对于贵金属以及过度金属而言,催化活性中心是金属原子,最近几年非金属氧还原催化剂由于具有优异的耐酸耐碱性能,以及抗甲醇和抗一氧化碳性能,引起了人们广泛的研究兴趣。在非金属基电催化剂中,二氧化锰/炭黑复合材料价格便宜,具有相对高的比表面积,优良的导电性能、以及良好的稳定性等优点,已成为理想的氧还原反应电催化剂材料之一。合成二氧化锰/碳复合材料的方法有很多种。比如:包覆法、光照反应、原位氧化还原反应接触法、水热法和原位自组装法等。其中,采用包覆法合成二氧化锰包覆碳材料并可用于吸收电磁波(申请号201510744996.1),合成中需要用到十二烷基苯磺酸钠、稀盐酸超声处理,加入高锰酸钾至悬浊液,在60~100℃恒温水浴中保温6~12小时,100℃干燥8小时后得到产物。采用光照反应合成二氧化锰/碳复合材料的专利(申请号201510710468.4)。将碳材料超声分散均匀到水溶液,加入高锰酸钾溶液,经光照反应(光源为紫外光或可见光)得到产物。采用原位氧化还原反应接触法合成二氧化锰/碳复合材料并可应用于超级电容器(申请号201410667447.4)。该方法将碳材料加入强氧化性酸反应得到含氧基团的碳材料;加入二价锰盐溶液反应得到表面嫁接有二价锰离子的碳材料。最后加入高锰酸盐与嫁接有二价锰离子的碳材料充分反应得到产物。采用水热法合成核壳结构的二氧化锰/碳复合材料(申请号201510477923.0)。将炭黑颗粒和SDBS溶液加入到高锰酸钾溶液,磁力搅拌并超声分散;而后装入水热釜中在160℃下反应5h,真空干燥后得到产物。采用原位自组装法合成二氧化锰/碳微球复合材料(申请号201410705232.7)。该方法以葡萄糖为碳源,在160~200℃下水热反应制得纳米碳微球;而后加入浓硫酸调节反应体系的pH并在75~90℃油浴反应,经回流得到产物。由此可见,现有技术制备复合材料需要高温、高压、装置复杂,耗能高,不适用于工业生产。综上所述,己报道的二氧化锰/碳纳米复合材料的制备方法还需要如下改进:1.简化制备过程;2.缩短生产周期;3.原料来源广泛;4.合成稳定产物。使其适于快速、大规模生产。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点,提供一种二氧化锰/炭黑复合材料。该复合材料在碱性条件下有很好的氧还原活性、稳定性和抗甲醇毒性。本专利技术的另一目的在于提供上述二氧化锰/炭黑复合材料的制备方法。采用一步合成的方法,在低于100℃时即可制得二氧化锰/碳纳米复合材料,操作简单、设备简单、环境友好、耗时短、易控制,易于放大合成。本专利技术的再一目的在于提供上述二氧化锰/炭黑复合材料的应用。该复合材料可应用于锌空气电池,且和锌空气电池中的Pt/C催化剂具有相当的性能。本专利技术的目的通过下述技术方案来实现:一种二氧化锰/炭黑复合材料,所述二氧化锰/炭黑复合材料是以将炭黑为原料,加入去离子水制成炭黑溶液,再加入高锰酸盐溶液得到混合物,将该混合物水浴加热并超声,经抽滤、洗涤和干燥制得。优选地,所述炭黑为乙炔炭黑、SuperPLi导电炭黑、科琴黑EC-300J导电炭黑或EC-600JD导电炭黑中的一种以上。优选地,所述高锰酸盐为高锰酸钾、高锰酸钠或高锰酸锂中的一种以上。优选地,所述高锰酸盐溶液的浓度为0.01~5mol/L。优选地,所述炭黑溶液的浓度为0.5~50mg/mL,所述炭黑溶液和高锰酸盐溶液的体积比为(1~10):(1~10)。优选地,所述水浴加热的温度为60~90℃,所述加热和超声的时间均为30min~10h。优选地,所述抽滤和洗涤的次数为3~5次,所述洗涤的溶液为去离子水,所述干燥的温度为80~150℃,所述干燥的时间为4~12h。所述的二氧化锰/炭黑复合材料的制备方法,包括以下具体步骤:S1.将炭黑加入去离子水,搅拌得到分散炭黑溶液A;S2.向步骤S1所得分散溶液A中加入高锰酸盐溶液,搅拌得到均匀混合物B;S3.将步骤S2所得混合物B放置水浴中加热并超声,得到溶液C;S4.将步骤S3所得溶液C反复抽滤和洗涤,经干燥,得到二氧化锰/炭黑复合材料。优选地,步骤S3中所述超声的功率为80~2400W。所述的二氧化锰/炭黑复合材料在锌空气电池中的应用。该复合材料可应用于锌空气电池,且和锌空气电池中的Pt/C催化剂具有相当的性能。与现有技术相比,本专利技术具有以下有益效果:1.本专利技术合成的二氧化锰/炭黑复合材料在碱性条件下有很好的氧还原活性和稳定性,分散均匀,电催化性能良好。2.本专利技术原料来源广泛,价格低廉,和其他的氧还原催化剂相比,所制备的二氧化锰/炭黑复合材料具有极大的价格优势。3.本专利技术合成时间短,合成步骤稳定,可短时间内大量合成,有望实现工业化大生产。4.本专利技术制备方法简单,所需装置简单,容易实现大规模制备。5.本专利技术能耗低,无污染,环境友好,多余高锰酸盐可回收再利用。附图说明图1为实施例5中的炭黑和二氧化锰/炭黑复合材料的SEM照片。图2为实施例5中的二氧化锰/炭黑复合材料的TEM照片。图3为实施例5中的二氧化锰/炭黑的XPS总谱图(a)以及Mn3s精细谱图(b)。图4为实施例5中的炭黑和二氧化锰/炭黑复合材料的Raman谱图。图5为使用实施例5中的二氧化锰/炭黑作为阴极催化剂的Zn-空气电池的长时间恒电流放电曲线。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的内容,但不应理解为对本专利技术的限制。若未特别指明,实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明,本专利技术采用的试剂、方法和设备为本
常规试剂、方法和设备。实施例1将5g乙炔炭黑加入装有1000mL去离子水的玻璃瓶中,搅拌得到5mg/mL的分散炭黑溶液;向所得分散液中慢慢加入1000mL浓度为0.1mol/L的高锰酸钾溶液,搅拌10min得到均匀混合物;将所得混合溶液放置在85℃的水浴中加热并超声(超声功率为800W)3小时;将所得溶液用去离子水反复抽滤、洗涤3~5次,最后120℃干燥8小时得到二氧化锰/炭黑复合材料。实施例2将1g乙炔黑加入装有200mL去离子水的烧瓶中,搅拌得到5mg/mL的分散溶液;向所得分散液中慢慢加入200mL浓度为0.05mol/L的高锰酸钾溶液,搅拌10min得到均匀混合物;将所得混合溶液放置在80℃的水浴中加热并超声(超声功率为300W)5小时;将所得溶液用去离子水反复抽滤、洗涤3~5次,最后在100℃干燥8小时,得到二氧化锰/炭黑复合材料。实施例3将0.1g科琴黑EC-300J导电炭黑加入装有200mL去离子水的烧瓶中,搅拌得到0.5本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种二氧化锰/炭黑复合材料,其特征在于,所述二氧化锰/炭黑复合材料是以将炭黑为原料,加入去离子水制成炭黑溶液,再加入高锰酸盐溶液得到混合物,将该混合物水浴加热并超声,经抽滤、洗涤和干燥制得。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化锰/炭黑复合材料,其特征在于,所述二氧化锰/炭黑复合材料是以将炭黑为原料,加入去离子水制成炭黑溶液,再加入高锰酸盐溶液得到混合物,将该混合物水浴加热并超声,经抽滤、洗涤和干燥制得。2.根据权利要求1所述的二氧化锰/炭黑复合材料,其特征在于,所述炭黑为乙炔炭黑、SuperPLi导电炭黑、科琴黑EC-300J导电炭黑或EC-600JD导电炭黑中的一种以上。3.根据权利要求1所述的二氧化锰/炭黑复合材料,其特征在于,所述高锰酸盐为高锰酸钾、高锰酸钠或高锰酸锂中的一种以上。4.根据权利要求1所述的二氧化锰/炭黑复合材料,其特征在于,所述高锰酸盐溶液的浓度为0.01~5mol/L。5.根据权利要求1所述的二氧化锰/炭黑复合材料,其特征在于,所述炭黑溶液的浓度为0.5~50mg/mL,所述炭黑溶液和高锰酸盐溶液的体积比为(1~10):(1~10)。6.根据权利要求1所述的二氧化锰/炭黑复合材料,其特...

【专利技术属性】
技术研发人员:施志聪黄宗雄姚伟聪谭立云李冠州
申请(专利权)人:广东工业大学
类型:发明
国别省市:广东,44

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