一种壳核结构的氮掺杂多孔碳-Mn制造技术

本发明专利技术涉及氧还原催化剂技术领域，且公开了一种壳核结构的氮掺杂多孔碳‑Mn

【技术实现步骤摘要】
一种壳核结构的氮掺杂多孔碳-Mn3O4氧还原催化剂及其制法
本专利技术涉及氧还原催化剂
，具体为一种壳核结构的氮掺杂多孔碳-Mn3O4氧还原催化剂及其制法。
技术介绍
随着能源危机和环境污染问题日益严峻，开发新型高效的能源存储和转换装置成为研究热点，如锂离子电池、燃料电池、金属-空气电池等，但是燃料电池、金属-空气电池等的阴极氧还原反应(ORR)的反应动力学很慢，需要加入催化剂促进氧还原反应的进行，铂基贵金属等催化剂是最有效的商业氧还原催化剂，但是铂基贵金属价格昂贵，限制了其商业化的广泛应用。近年来，各种非贵金属材料在氧还原催化剂中得到了大量的研究和发展，如碳材料、过渡金属氧化物，其中锰氧化物如MnO2、Mn3O4等具有良好的氧还原催化活性，并且含量丰富，廉价易得，是一种极具发展潜力的氧还原催化剂，但是Mn3O4的导电性能较差，并且比表面积不高，电化学催化活性中心不足，阻碍了Mn3O4氧还原催化剂的发展。(一)解决的技术问题针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种壳核结构的氮掺杂多孔碳-Mn3O4氧还原催化剂及其制法，解决Mn3O4氧还原催化剂的导电性能较差的问题，同时解决了Mn3O4催化剂电化学催化活性中心不足的问题。(二)技术方案为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种壳核结构的氮掺杂多孔碳-Mn3O4氧还原催化剂，包括以下原料及组分：多孔Mn3O4纳米球、1,3,5-三(4-氨苯基)苯、多聚甲醛、1,5-二羟基萘、氢氧化钠，质量比为20-40:14-22:10:10-15:0.3-0.5。优选的，所述壳核结构的氮掺杂多孔碳-Mn3O4氧还原催化剂制备方法包括以下步骤：(1)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、氯化锰、柠檬酸和葡萄糖，搅拌均匀后缓慢滴加氨水溶液溶液pH至10-11，再加入过氧化氢溶液，将溶液转移进水热反应釜，并置于反应釜加热装置中，加热至160-180℃，反应12-18h，将溶液冷却至室温，使用蒸馏水和乙醇离心洗涤并干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，在空气氛围中升温速率为2-5℃/min，升温至420-480℃，保温煅烧3-5h，制备得到多孔Mn3O4纳米球。(2)向反应瓶中加入1,4-二氧六环溶剂和多孔Mn3O4纳米球，超声分散均匀后加入1,3,5-三(4-氨苯基)苯和多聚甲醛，匀速搅拌10-20h，再加入1,5-二羟基萘和氢氧化钠，置于油浴反应器中，加热至100-110℃，匀速搅拌反应15-25h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用乙醚洗涤固体产物并充分干燥，制备得到苯并噁嗪多孔聚合物包覆Mn3O4纳米球。(3)将苯并噁嗪多孔聚合物包覆Mn3O4纳米球置于氢氧化钾溶液中，匀速搅拌20-30h，将溶液减压蒸馏除去溶剂并干燥，固体混合产物置于气氛电阻炉中，在氮气氛围中升温速率为2-8℃/min，升温至650-750℃，保温煅烧1-2h，依次使用稀盐酸和蒸馏水洗涤煅烧产物，并充分干燥，制备得到壳核结构的氮掺杂多孔碳-Mn3O4氧还原催化剂。优选的，所述步骤(1)中的氯化锰、柠檬酸、葡萄糖和过氧化氢的物质的量比为100:1.5-3.5:150-250:220-250。优选的，所述步骤(2)中的油浴反应器包括油浴槽、油浴槽内部两侧固定连接有加热圈、油浴槽的内部下方固定连接有载物台、载物台上方设置有反应瓶、油浴槽的上方固定连接有搅拌装置、搅拌装置活动连接有搅拌轴、搅拌轴与旋转球固定连接有，旋转球外侧固定连接有球形卡槽，球形卡槽活动连接有扇形卡块、扇形卡块固定连接有搅拌扇片。优选的，所述步骤(3)中的苯并噁嗪多孔聚合物包覆Mn3O4纳米球置于氢氧化钾的质量比为1:1.5-3.5。(三)有益的技术效果与现有技术相比，本专利技术具备以下有益的技术效果：该一种壳核结构的氮掺杂多孔碳-Mn3O4氧还原催化剂，柠檬酸电离产生的阴离子与Mn2+发生络合，有效调控了Mn3O4的尺寸，限制了Mn3O4的晶核生长，生成的Mn3O4纳米晶均匀生长在葡萄糖碳纳米球的表面，通过高温热裂解除去碳纳米球，得到比表面积巨大的多孔Mn3O4纳米球，可以暴露出大量的电化学活性位点。该一种壳核结构的氮掺杂多孔碳-Mn3O4氧还原催化剂，以1,3,5-三(4-氨苯基)苯、多聚甲醛和1,5-二羟基萘作为聚合单体，得到含有刚性萘环结构的苯并噁嗪多孔聚合物包覆Mn3O4纳米球，苯并噁嗪多孔聚合物含有丰富的孔道结构，在高温热裂解中，通过氢氧化钾刻蚀，同时刚性的萘环结构有利于聚合物的孔道结构不坍塌，进一步形成孔隙结构更加丰富的壳核结构氮掺杂多孔碳包覆纳米Mn3O4，纳米Mn3O4均匀生长在氮掺杂多孔碳的孔隙结构中，减少了多孔Mn3O4纳米球的团聚，丰富的孔隙结构有利于催化剂与电解液的接触和润湿，从而呈现出丰富的电催化活性中心。该一种壳核结构的氮掺杂多孔碳-Mn3O4氧还原催化剂，大量的氮元素在高温热裂解中生成的石墨氮结构有利于提高多孔碳的导电性能，氮掺杂多孔碳均匀包覆Mn3O4纳米球，形成三维导电网络，促进了电子的传输和扩散，在协同作用下使催化剂表现出优异的氧还原催化活性。附图说明图1是油浴反应器正面示意图；图2是旋转球放大示意图；图3是搅拌扇片调节示意图；图4是多孔Mn3O4纳米球的透视电子显微镜图SEM；图5是苯并噁嗪多孔聚合物包覆Mn3O4纳米球的红外吸收光谱图FR-IR。1-油浴反应器；2-油浴槽；3-加热圈；4-载物台；5-反应瓶；6-搅拌装置；7-搅拌轴；8-旋转球；9-球形卡槽；10-扇形卡块；11-搅拌扇片。具体实施方式为实现上述目的，本专利技术提供如下具体实施方式和实施例：一种壳核结构的氮掺杂多孔碳-Mn3O4氧还原催化剂，包括以下原料及组分：多孔Mn3O4纳米球、1,3,5-三(4-氨苯基)苯、多聚甲醛、1,5-二羟基萘、氢氧化钠，质量比为20-40:14-22:10:10-15:0.3-0.5。(1)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、氯化锰、柠檬酸和葡萄糖，搅拌均匀后缓慢滴加氨水溶液溶液pH至10-11，再加入过氧化氢溶液，其中氯化锰、柠檬酸、葡萄糖和过氧化氢的物质的量比为100:1.5-3.5:150-250:220-250，将溶液转移进水热反应釜，并置于反应釜加热装置中，加热至160-180℃，反应12-18h，将溶液冷却至室温，使用蒸馏水和乙醇离心洗涤并干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，在空气氛围中升温速率为2-5℃/min，升温至420-480℃，保温煅烧3-5h，制备得到多孔Mn3O4纳米球。(2)向反应瓶中加入1,4-二氧六环溶剂和多孔Mn3O4纳米球，超声分散均匀后加入1,3,5-三(4-氨苯基)苯和多聚甲醛，匀速搅拌10-20h，再加入1,5-二羟基萘和氢氧化钠，置于油浴反应器中，油浴反应器包括油浴槽、油浴槽内部两侧固定连接有加热圈、油浴槽的内部下方固定连接有载物台、载物台上方设置有反应瓶、油浴槽的上方固定连接有搅拌装置、搅拌装置活动连接有搅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种壳核结构的氮掺杂多孔碳-Mn

【技术特征摘要】
1.一种壳核结构的氮掺杂多孔碳-Mn3O4氧还原催化剂，包括以下原料及组分，其特征在于：多孔Mn3O4纳米球、1,3,5-三(4-氨苯基)苯、多聚甲醛、1,5-二羟基萘、氢氧化钠，质量比为20-40:14-22:10:10-15:0.3-0.5。


2.根据权利要求1所述的一种壳核结构的氮掺杂多孔碳-Mn3O4氧还原催化剂，其特征在于：所述壳核结构的氮掺杂多孔碳-Mn3O4氧还原催化剂制备方法包括以下步骤：
(1)向蒸馏水溶剂中加入氯化锰、柠檬酸和葡萄糖，缓慢滴加氨水溶液溶液pH至10-11，加入过氧化氢溶液，将溶液转移进水热反应釜，加热至160-180℃，反应12-18h，冷却、离心洗涤并干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，在空气氛围中升温速率为2-5℃/min，升温至420-480℃，保温煅烧3-5h，制备得到多孔Mn3O4纳米球；
(2)向1,4-二氧六环溶剂中加入多孔Mn3O4纳米球，超声分散均匀后加入1,3,5-三(4-氨苯基)苯和多聚甲醛，搅拌10-20h，再加入1,5-二羟基萘和氢氧化钠，置于油浴反应器中，加热至100-110℃反应15-25h，减压蒸馏、洗涤并干燥，制备得到苯并噁嗪多孔聚合物包覆Mn3O4纳米球；
(3)将苯并噁嗪多孔聚合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：王二刚，
申请(专利权)人：王二刚，
类型：发明
国别省市：浙江;33