一种单原子锰催化剂的电化学制备方法技术

本发明专利技术公开了一种单原子锰催化剂的电化学制备方法，属于电催化材料技术领域。本发明专利技术的电化学制备方法为：将具有通道结构的α

【技术实现步骤摘要】
一种单原子锰催化剂的电化学制备方法


[0001]本专利技术涉及电催化材料
，尤其涉及一种单原子锰催化剂的电化学制备方法。

技术介绍

[0002]金属以单原子形式分散在固体载体表面所形成的单原子金属催化剂不仅具有异相催化的特征，而且还有均相催化的特点。近年来单原子催化剂在气相反应、有机反应和电催化反应等反应中发展迅速，取得了广泛的应用。与传统的纳米颗粒金属催化剂相比，单原子金属催化剂具有更加优异的催化性能(文献1)，如：催化剂中所有的金属原子都能参与催化反应，并且反应分子在单原子金属上比在纳米金属颗粒上具有更快的转换频率(TOF)。因此采用各种单原子金属催化剂是石油化工、化学合成和能源转换等诸多领域近年来的主要发展方向，其中，最关键的技术是在各种固体表面简单高效地制备出单原子分散的金属催化剂。目前大多数以石墨烯为载体(文献2)，主要采用为高温还原法、原子层沉积法、金属有机框架离子交换法，物理和化学气相沉积和球磨等方法制备。这些方法通常涉及高温或高真空过程，制备工艺复杂；金属单原子与基底作用力有限，难以制备高密度单原子体系。此外，由于单原子的能量比较高，同时还缺乏单原子与载体间的强相互作用，因此单一原子聚集成簇或纳米粒子在一定程度上是不可避免的，且这些影响因素限制了单原子催化剂的实际工业应用。为了满足制备成本低，大规模生产、重复性好等工业要求，迫切需要先进的合成方法，但其对单原子催化剂的制备仍存在挑战。因此，开发一种性能优异、成本低廉的单原子催化剂的制备方法是本领域技术人员亟待解决的问题。
[0003]背景技术文献：
[0004]1.Single
‑
Atom Catalysts:Emerging Multifunctional Materials in Heterogeneous Catalysis.Zhang Huabin,Liu Guigao,Shi Li,&Ye Jinhua,Advance energy materials,2018,8(1),1701343.
[0005]2.Atomically dispersed Ni(I)as the active site for electrochemical CO2reduction.Yang Hongbin,Hung Sung
‑
Fu,Liu Song et.al,Nature energy,2018,3,140
‑
147.

技术实现思路

[0006]鉴于此，本专利技术的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种温和高效、成本低廉的制备单原子锰催化剂的方法。该方法简单易行，普适性广，安全性高，且制备方法不涉及任何高温步骤。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]本专利技术提供一种单原子锰催化剂的电化学制备方法，包括如下步骤：
[0009]步骤1：将具有通道结构的α
‑
MnO2纳米线与导电炭黑和粘结剂混合、涂片干燥，得到涂有α
‑
MnO2掺杂碳材料的电极；
[0010]步骤2：以步骤1得到的涂有α
‑
MnO2掺杂碳材料的电极为负极，与正极材料和电解液组装电池后，进行大电流恒流放电或恒定电流充放电长循环，得到单原子锰催化剂。
[0011]作为优选的实施方式，所述通道结构为[MnO6]八面体的2
×
2通道。
[0012]作为优选地实施方式，步骤1中，所述具有通道结构的α
‑
MnO2纳米线通过如下方法制备得到：
[0013]将KMnO4与MnCl2溶解到去离子水中混合后进行水热反应。
[0014]作为优选地实施方式，所述水热反应的条件为150～400℃反应8～24h；
[0015]优选地，KMnO4与MnCl2的摩尔比为0.5
‑
2。
[0016]作为优选地实施方式，步骤1中，所述α
‑
MnO2纳米线、导电炭黑与粘结剂的重量比为7:2～2.5:0.5～1；
[0017]优选地，所述粘结剂选自聚偏氟乙烯或者聚四氟乙烯，进一步优选为聚偏氟乙烯。
[0018]作为优选地实施方式，步骤1中，所述涂片为将α
‑
MnO2纳米线与导电炭黑、粘结剂混合后涂覆到铜箔上。
[0019]作为优选地实施方式，步骤2中，所述电解液为六氟磷酸锂溶于有机溶剂的或次氯酸锂溶于有机溶剂的溶液；
[0020]优选地，所述六氟磷酸锂溶于有机溶剂的溶液的浓度为0.5～2mol/L；
[0021]优选地，所述次氯酸锂溶于有机溶剂的溶液的浓度为0.5～2mol/L；
[0022]优选地，所述有机溶剂选自碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯中的一种或两种混合使用。
[0023]作为优选地实施方式，步骤2中，所述大电流恒流放电的电流密度值为800
‑
2000mA/g。
[0024]在某些具体的实施例中，所述大电流恒流放电的电流密度值为800mA/g、900mA/g、1000mA/g、1100mA/g、1200mA/g、1300mA/g、1400mA/g、1500mA/g、600mA/g、700mA/g、800mA/g、900mA/g、2000mA/g或它们之间任意数值的电流密度值。
[0025]作为优选地实施方式，步骤2中，所述大电流恒流放电的电压范围限定为0
‑
3V。
[0026]作为优选地实施方式，步骤2中，所述恒定电流充放电长循环的电流密度为100～3900mA/g。
[0027]在某些具体的实施例中，所述恒定电流充放电长循环的电流密度为100mA/g、200mA/g、500mA/g、1000mA/g、1500mA/g、2000mA/g、2500mA/g、3000mA/g、3900mA/g或它们之间的任意数值的电流密度。
[0028]作为优选地实施方式，步骤3中，所述恒定电流充放电长循环的电压范围限定为0
‑
3V。
[0029]作为优选地实施方式，步骤3中，所述恒定电流充放电长循环的圈数为200
‑
1000圈。
[0030]在某些具体的实施例中，所述恒定电流充放电长循环的圈数为200圈、300圈、400圈、500圈、600圈、700圈、800圈、900圈、1000圈或它们之间任意数值的循环圈数。
[0031]本专利技术以α
‑
MnO2纳米线为负极材料，以恒流放电或小电流充放电循环的电化学方法制备出了单原子锰。
[0032]与现有技术相比，本方法具有以下有益的效果：
[0033]本专利技术设计科学，方法简单，通过使用具有通道结构的α
‑
MnO2纳米线为负极材料，
在限定的电压条件下，大电流密度进行恒电流放电，破坏α
‑
MnO2的通道结构，或者恒电流密度下进行长循环充放电，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单原子锰催化剂的电化学制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：将具有通道结构的α
‑
MnO2纳米线与导电炭黑和粘结剂混合、涂片干燥，得到涂有α
‑
MnO2掺杂碳材料的电极；步骤2：以步骤1得到的涂有α
‑
MnO2掺杂碳材料的电极为负极，与正极材料和电解液组装电池后，进行大电流恒流放电，或恒定电流充放电长循环，得到单原子锰催化剂。2.根据权利要求1所述的一种单原子锰催化剂的电化学制备方法，其特征在于，步骤1中，所述具有通道结构的α
‑
MnO2纳米线通过如下方法制备得到：将KMnO4与MnCl2溶解到去离子水中混合后进行水热反应。3.根据权利要求2所述的一种单原子锰催化剂的电化学制备方法，其特征在于，所述水热反应的条件为150～400℃反应8～24h；优选地，KMnO4与MnCl2的摩尔比为0.5～2。4.根据权利要求1所述的一种单原子锰催化剂的电化学制备方法，其特征在于，步骤1中，所述α
‑
MnO2纳米线、导电炭黑与粘结剂的重量比为7:2～2.5:0.5～1；优选地，所述粘结剂为聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯，进一步优选为聚偏氟乙烯。5.根据权利要求1所述的一种单原子锰催化剂的电化学制备方法，其特征在于，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄建宇，杨婷婷，苏永，唐永福，张利强，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：