本发明专利技术涉及一种锰酸镍/碳纳米管复合催化剂及其制备和应用，双功能催化剂包括碳纳米管和锰酸镍NiMnO4尖晶石；将二氧化锰前驱体、醋酸镍和碳纳米管溶解于氨水中，超声分散，然后在130-150℃条件下水热反应3-6h，冷却至室温，清洗，干燥，煅烧，即得；锰酸镍/碳纳米管复合催化剂在制备金属-空气电池的空气电极中的应用。本发明专利技术在空气中既具有高效氧还原性能，同时又具有高效析氧性能，可应用于金属-空气电池。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于功能催化剂及其制备和应用领域，特别涉及。
技术介绍
近年来，随着化石能源的消耗以及环境污染的加剧，世界各国竞相对清洁可持续的能量转换装置进行开发研究，其中利用电化学反应的能量存储与转化设备受到人们极大关注。特别是可充电式的金属锌-空气电池由于具有低成本、轻便安全、环境友好、安全性能优异以及高的理论比能量和功率密度等成为当今研究的热点。无论是从经济效益和环境保护方面，锌-空气电池已被公认为是二十一世纪最为有效和可靠的新能源技术之一 。此外，锌-空气电池的理论能量密度是传统的锂离子电池的3-4倍之多，可以应用于无线网通讯设备以及电动汽车等大功率电动车等。然而，由于氧还原反应(0RR)和析氧反应(0ER)缓慢的动力学进程限制了金属-空气电池的效率，开发具有高活性和稳定性的双功能催化剂显得尤为迫切。Dai等制备了氧化钴/碳纳米管以及镍-铁-层状双氢氧化物电催化剂用于可充电式锌-空气电池阴极，然而依然停留在纯氧条件下，且电池模型制作复杂。某些钴类尖晶石氧化物的电催化活性和稳定性，如 Co304和 CoMn204，钴酸镍及镍的氧化物以及NiCo204/石墨烯等研究均有报道，但是主要应用于氧还原(0RR) ，催化剂直接应用于金属锌-空电池应却不多见。此外，上述催化剂存在制备过程复杂，不利于工业化规模制备。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供，本专利技术该催化剂特别在300°C制备下表现出良好的电化学性能，0RR的起峰电位为0.96V, 0ER起峰电位为1.44V，功率密度常温下为170mW/m2，能量密度可达到600Ah/g同时具有良好的充放电稳定性；该催化剂制备方法简单，成本低廉，适合于工业化生产。本专利技术不仅环境友好、原料易得、成本低，且反应条件温和、反应时间短，仅一步即可合成，具有工艺简单、经济实用、可操控性强等优点，易于规模化生产，是可运用在锌-空、铝-空以及镁-空等金属空气电池领域良好的空气电极催化剂。本专利技术的一种锰酸镍/碳纳米管复合催化剂，其特征在于:所述锰酸镍/碳纳米管复合催化剂包括碳纳米管和锰酸镍NiMn04尖晶石。所述猛酸镍附1]104尖晶石为直径在20-150nm的纳米颗粒，并均勾负载于碳纳米管。本专利技术的一种锰酸镍/碳纳米管复合催化剂的制备方法，包括:(1)将浓盐酸加入搅拌的高锰酸钾溶液中，继续搅拌至混匀，然后在130-145°C条件下水热反应10-14h，冷却至室温，清洗，干燥，得到二氧化锰前驱体；其中高锰酸钾水溶液、浓盐酸的比例为101.4g:4mL ；(2)将二氧化锰前驱体、醋酸镍和碳纳米管溶解于氨水中，超声分散，然后在150°C条件下水热反应6h，冷却至室温，清洗，干燥，煅烧，即得锰酸镍/碳纳米管复合催化剂；其中二氧化锰前驱体、醋酸镍、碳纳米管、氨水的比例为0.1-0.3g:0.1-0.5g:0.5-0.8g:10-15mL，优选 0.125g:0.25g:0.625g:15mL。所述步骤⑴中高锰酸钾溶液中高锰酸钾和水的质量比为1-2:100。所述步骤(1)中清洗为分别用乙醇和去离子水清洗3-5次；干燥为80°C干燥24h。所述步骤(2)中氨水的浓度为1-1.5mol/Lo所述步骤⑵中超声分散时间为lh ;清洗为去离子水清洗5次；干燥为80°C干燥10h ;煅烧为 200-500°C煅烧 lh。所述煅烧温度为200-400 V。更优选煅烧温度为300-350 °C。本专利技术的一种锰酸镍/碳纳米管复合催化剂的应用，锰酸镍/碳纳米管复合催化剂在制备金属-空气电池的空气电极中的应用，具体为:将锰酸镍/碳纳米管复合催化剂溶于乙醇和质量百分浓度为5%的Naf1n溶液中，超声20_40min形成均一催化剂浆液，然后喷涂于经疏水处理的碳纸上，催化剂载量为0.5-5mg/cm2,自然瞭干；其中猛酸镍/碳纳米管复合催化剂、乙醇、Naf1n的比例为5mg: lmL:8 μ L。所述金属_空气电池为:锌-空电池、铝-空电池或镁-空电池。本专利技术的具有优良性能的锰酸镍/碳纳米管复合催化剂应用于制备金属-空气电池的空气电极上，可以应用医疗设备(如助听器)、无线通讯设备、安全通道等电源以及作为固定式能量站的储能装置。有益效果(1)本专利技术的锰酸镍/碳纳米管复合催化剂(双功能催化剂)既表现出优异的电化学性能，同时具有优良的充放电性能及稳定性，特别在300°C下制备的催化剂，0RR的起峰电位在0.96V，0ER起峰电位在1.44V ;在空气条件下，催化剂载量为2mg/cm2的单电池采用渐变电流发电的方式功率密度可以达到170mW/cm2;(2)本专利技术不仅环境友好、原料易得、成本低，且反应条件温和、反应时间短，仅一步即可合成，具有工艺简单、经济实用、可操控性强等优点，易于规模化生产，是可运用在锌-空、铝-空以及镁-空等金属空气电池领域良好的空气电极催化剂；(3)本专利技术的催化剂制成空气电极后，在小电流充放电中可以稳定在100小时左右，在大电流充放电中亦有优良的稳定性，可直接用于金属-空气电池，显著减少金属空气电池的制作成本。【附图说明】图1为NiMn04/CNTs，CNTs以及20% Pt/C的0RR和0ER极化曲线对比图；图2为催化剂在不同热处理温度下的极化曲线图；图3为催化剂制备成空气电极与锌板组成单电池后载量为2mg/cm2的发电曲线图；图4为催化剂制备成空气电极与锌板组成单电池后在lOmAcm 2电流密度下长时间放电图；图5为催化剂制备成空气电极与锌板组成单电池后在lOmAcm 2电流密度下长时间放电比能量图；图6为锌空电池在0?65mAcm 2电流密度下的电压变化图；图7为实施例1所得的双功能催化剂的透射电镜图，其中a为催化剂的整体透射电镜图；b为图a局部放大透射电镜图。【具体实施方式】下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本专利技术各实施例所述的碳纳米管从成都爱法纳米技术有限公司购入，所购置碳纳米管的长度为15nm，直径为30-50nm。所述的醋酸镍从国药集团化学试剂有限公司购入，为分析纯，分子量约176.68g。实施例1双功能催化剂，包括碳纳米管与锰酸镍(NiMn04)尖晶石。所述的锰酸镍(NiMn04)尖晶石为直径在20-150nm纳米颗粒，且均匀负载于碳纳米管。催化剂的制备方法为:第一步:配置高锰酸钾和水的质量比为1.4g: 100的高锰酸钾溶液，室温下将高锰酸钾溶液和浓盐酸比为101.4g:4ml的浓盐酸加入搅拌的高锰酸钾溶液中，继续搅拌直至混合均匀，将所得的混合液转移至高压釜中145°C下水热法反应10小时，冷却至室温，分别用乙醇和去离子水清洗5次，然后80°C干燥24小时，得到二氧化锰前驱体；第二步:分别称取质量为0.125g上述二氧化锰前驱体、0.25g醋酸镍以及0.625g碳纳米管，溶解于15mL浓氨水中，超声分散1小时，然后转移至高压釜中130°C反应6小时，冷却至室温，用去离子水清洗5次后80°C干燥10小时；干燥后，在400°C下马弗炉中煅烧1小时即得双功能催化剂。本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种锰酸镍/碳纳米管复合催化剂，其特征在于：所述锰酸镍/碳纳米管复合催化剂包括碳纳米管和锰酸镍NiMnO4尖晶石。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：乔锦丽，徐能能，李浩然，张恩光，汤俏薇，李雪梅，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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