一种锰氧化物原位复合空气电极的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二氧化锰原位复合空气电极的制备方法，其通过使用一种原位复合方法，结合2‑甲基咪唑与锰盐的相互作用，在催化剂载体上制得分散性良好、催化剂性能高的锰氧化物催化剂。与现有技术相比，本发明专利技术的体系中，2‑甲基咪唑与锰盐的相互作用可对锰盐进行良好的分散，使得锰基催化剂在催化剂载体上均匀、细化分布；2‑甲基咪唑在退火过程中可以有效保护催化剂载体，防止催化剂载体被氧化，损害；并且，该原位合成方法整个过程中没有使用粘结剂，不涉及催化剂粉末的涂覆过程，可以更有效地发挥锰基催化剂的催化性能；最终获得分散性良好、催化剂性能高的二氧化锰原位复合空气电极，具有极大的科研，社会经济效益。

【技术实现步骤摘要】
一种锰氧化物原位复合空气电极的制备方法
本专利技术属于电化学
，涉及一种锰氧化物原位复合空气电极的制备方法；尤其涉及通过使用一种原位复合方法，获得一种含具备高催化剂性能的锰氧化物催化剂的复合空气电极。
技术介绍
21世纪迅速的工业科技发展对能量供给提出了进一步需求。为了克服不可再生的化石能源的有限性带来的能源危机的隐患，如何利用可再生的清洁能源成为了一个重要课题。其中，金属空气电池，尤其是锌空气电池，由于其高能量密度，高安全性，高环境友好性受到了广泛关注。然而，锌空气电池的电池反应受限于空气电极上缓慢的氧析出反应与氧还原反应，需要发展先进的催化剂以提高电池的能量效率。锰氧化物具有较高的催化活性，且成本较低，是锌空气电池催化剂的理想选择之一。然而，传统的锰氧化物催化剂在制备完成后需要与粘结剂，有机溶剂等进行混合并转移到空气电极上。催化剂在涂覆过程中容易团聚，胶黏剂的存在也会降低催化剂的性能。因此，需要发展一种无需胶黏剂的方法在空气电极上原位制备分散性良好的锰氧化物催化剂。经对现有专利文献检索发现，CN111223683A的专利技术专利申请公开了将碳电极浸泡在10-40℃的高锰酸钾水溶液中，使得在碳材料表面原位生长纳米二氧化锰，得到碳/纳米二氧化锰复合电极材料。然而，获得的二氧化锰活性物质在碳电极上发生了团聚现象，降低了二氧化锰材料的比表面积，不利于二氧化锰材料催化性能的发挥。此外，所使用的高锰酸钾原料具有较强的氧化性与腐蚀性，生产过程具有一定的危险性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种锰氧化物原位复合空气电极的制备方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：本专利技术涉及一种锰氧化物原位复合空气电极的制备方法，所述方法包括如下步骤：S1、在锰盐的甲醇溶液中加入2-甲基咪唑溶液，形成混合液；S2、催化剂载体在所述混合液浸润后取出，干燥，得到负载有锰前驱体的催化剂载体；S3、将所述负载有锰前驱体的催化剂载体中高温退火，得到所述锰氧化物原位复合空气电极。作为本专利技术的一个实施方案，步骤S1中，锰盐的甲醇溶液中锰盐的浓度为0.01～2M。作为本专利技术的一个实施方案，步骤S1中，2-甲基咪唑溶液的浓度为0.1～2M。作为本专利技术的一个实施方案，步骤S1中，混合液中锰盐与2-甲基咪唑的摩尔比为1:0.5～1:10。如摩尔比低于1:0.5，2-甲基咪唑无法起到足够的保护与细化催化剂作用。如摩尔比大于1：10，催化剂负载量过低，影响催化性能。作为本专利技术的一个实施方案，步骤S1中，所述锰盐包括含二价锰离子的锰盐，如硫酸锰、硝酸锰、氯化锰、醋酸锰中的一种或几种。作为本专利技术的一个实施方案，步骤S1中，所述催化剂载体包括碳布、碳毡、泡沫铜或泡沫镍。作为本专利技术的一个实施方案，步骤S2中，所述干燥的温度为60℃～80℃，干燥时间为6h～24h。作为本专利技术的一个实施方案，步骤S2中，所述浸润的时间为30min～2h。作为本专利技术的一个实施方案，步骤S3中，所述中高温退火的温度为200℃～400℃，时间为1h～3h。如温度低于200℃，无法使得锰离子得到充分的氧化。如温度高于400℃，负载催化剂的碳材料会被过度氧化，影响基底的导电性。本专利技术的体系中，锰盐的浓度、2-甲基咪唑的浓度以及比例影响着锰基催化剂的负载量，可根据不同的催化剂需求调节。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1)2-甲基咪唑与锰盐的相互作用可对锰盐进行良好的分散，使得锰基催化剂在催化剂载体上均匀、细化分布，有利于催化剂比表面积的提高，提高催化剂的比催化活性；2)2-甲基咪唑在退火过程中可以有效保护催化剂载体，防止催化剂载体被氧化，损害；3)本专利技术的原位合成方法整个过程中没有使用粘结剂，不涉及催化剂粉末的涂覆过程，可以更有效地发挥锰基催化剂的催化性能。4)本专利技术未使用具有腐蚀性与强氧化性的试剂，制备过程安全无害。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为实施例1的锰氧化物原位复合电极形貌图(20.0μm)；图2为实施例1的锰氧化物原位复合电极表面的EDS元素分析示意图；图3为实施例1的锰氧化物原位复合电极形貌图(10.0μm)；图4为对比例1的二氧化锰电极形貌图(20.0μm)；图5为对比例1的二氧化锰电极形貌图(5.00μm)。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。实施例1本实施例提供一种在催化剂载体上原位复合的锰氧化物催化剂，包括如下步骤：1)在含0.5M硝酸锰的甲醇溶液中，加入等量的0.5M的2-甲基咪唑溶液，在磁力搅拌的作用下混合均匀。2)使用碳布作为催化剂载体，在上述溶液中浸润，取出，使用轻柔的去离子水除去空气电极上多余溶液。3)随后将催化剂载体放置于60℃烘箱中干燥6h。4)干燥好的负载有锰前驱体的催化剂载体放置于管式炉中使用300℃退火3h，获得在催化剂载体上原位复合的锰氧化物催化剂，所得催化剂可用于空气电池中充当氧还原、氧生成反应催化剂。所得催化剂形貌为分散良好的纳米颗粒，典型形貌如图1。对电极表面进行EDS元素分析(如图2)可知，负载的活性物质为锰氧化物。实施例2本实施例提供一种在催化剂载体上原位复合的锰氧化物催化剂，包括如下步骤：1)在含0.01M硫酸锰的甲醇溶液中，加入等量的0.1M的2-甲基咪唑溶液，在磁力搅拌的作用下混合均匀。2)使用碳毡作为催化剂载体，在上述溶液中浸润，取出，使用轻柔的去离子水除去空气电极上多余溶液。3)随后将催化剂载体放置于60℃烘箱中干燥6h。4)干燥好的负载有锰前驱体的催化剂载体放置于管式炉中使用300℃退火3h，获得在催化剂载体上原位复合的锰氧化物催化剂。所得催化剂形貌为分散良好的纳米颗粒，典型形貌如图3。与实施例1进行比较，由于使用的锰盐浓度较低，且锰盐与2-甲基咪唑的摩尔比较大，可见负载的锰氧化物活性物质的负载量较低。实施例3本实施例提供一种在催化剂载体上原位复合的锰氧化物催化剂，包括如下步骤：1)在含2M硝酸锰的甲醇溶液中，加入等量的1M的2-甲基咪唑溶液，在磁力搅拌的作用下混合均匀。2)使用泡沫镍作为催化剂载体，在上述溶液中浸润，取出，使用轻柔的去离子水除去空气电极上多余溶液。3)随后将催化剂载体放置于60℃烘箱中干燥6h。4)干燥好的负载有锰前驱体的催化剂载体放置于管式炉中使用400℃退火1h，获得在催化剂载体上原位复合的锰氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锰氧化物原位复合空气电极的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：/nS1、在锰盐的甲醇溶液中加入2-甲基咪唑溶液，形成混合液；/nS2、催化剂载体在所述混合液浸润后取出，干燥，得到负载有锰前驱体的催化剂载体；/nS3、将所述负载有锰前驱体的催化剂载体中高温退火，得到所述锰氧化物原位复合空气电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种锰氧化物原位复合空气电极的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、在锰盐的甲醇溶液中加入2-甲基咪唑溶液，形成混合液；
S2、催化剂载体在所述混合液浸润后取出，干燥，得到负载有锰前驱体的催化剂载体；
S3、将所述负载有锰前驱体的催化剂载体中高温退火，得到所述锰氧化物原位复合空气电极。


2.根据权利要求1所述的锰氧化物原位复合空气电极的制备方法，其特征在于，步骤S1中，锰盐的甲醇溶液中锰盐的浓度为0.01～2M。


3.根据权利要求1所述的锰氧化物原位复合空气电极的制备方法，其特征在于，步骤S1中，2-甲基咪唑溶液的浓度为0.1～2M。


4.根据权利要求1所述的锰氧化物原位复合空气电极的制备方法，其特征在于，步骤S1中，混合液中锰盐与2-甲基咪唑的摩尔比为1:0.5～1:10。

【专利技术属性】
技术研发人员：申静，龙俊华，
申请(专利权)人：重庆新申世纪新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50