一种碳载锰氧化物催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术属于电化学技术领域，具体涉及一种碳载锰氧化物催化剂及其制备方法。该方法包括以下步骤：1)将高锰酸钾溶于去离子水和乙醇的混合溶液中，并加入还原性碳材料；2)再依次进行乳化和超声；3)使用草酸调节pH至酸性后置于恒温加热磁力搅拌器中加热反应；4)将产物依次经抽滤、洗涤后转移至真空干燥箱中，干燥处理，得到黑色粉末状前驱体；5)将黑色粉末前驱体在具有保护气成分的还原性气氛中进行煅烧处理，冷却后，通过微型震动球磨机球磨后得到碳载锰氧化物催化剂。本发明专利技术利用高锰酸钾强氧化性，不用预处理碳材料，具有催化剂制备工艺简单、易操作、成本低，可制备出含有纳米级活性组分的负载型催化剂，且反应温度较温和。且反应温度较温和。且反应温度较温和。

【技术实现步骤摘要】
一种碳载锰氧化物催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于电化学
，具体涉及一种碳载锰氧化物催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着能源和环境危机的加剧，燃料电池、金属
‑
空气电池等重要的电化学能源装置得到了广泛的发展，它们有助于实现化学能向电能的转化，并且可以再生利用。氧还原反应的缓慢动力学(ORR)限制了许多基于氧气的能量转换设备的效率，如燃料电池和金属
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空气电池。其动力学过程缓慢，需要动力学上的高过电位来克服能量障碍。因此选择合适的催化剂来加速反应进程，降低反应过电位是极其重要的。
[0003]贵金属铂及铂合金是目前性能最好的商业化应用的ORR催化剂，但其储量稀少、价格昂贵，也成为其大规模化应用的最大限制因素。锰氧化物在氧还原催化反应方面表现出较好的活性，且我国锰矿资源丰富具有成本低、资源丰富以及环境友好等特点，因此锰基催化剂为氧还原催化剂的研究热点之一。但在催化剂制备中通常为高温高压的反应条件，不利于工业化大规模生产。CN111087020A
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一种纳米四氧化三锰的制备方法提供了一种水热法在165
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175℃反应5
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6h制备出碳载纳米锰氧化物。CN113559848A
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一种高活性的臭氧分解锰基催化剂及其制备方法使用二价锰源和过硫酸铵利用水热法在70
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140℃反应4
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8h得到二氧化锰后在还原气氛下焙烧得到应用于抽氧还原的高活性的四氧化三锰催化剂。这些反应均使用水热法在高温高压下制备催化剂。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种超声处理结合原位还原法制备碳载锰氧化物催化剂的制备方法，以及所得到的碳载锰氧化物催化剂。该方法操作简单，原料成本低，反应条件较温和易工业化大规模制备。
[0005]本专利技术所提供的技术方案如下：
[0006]一种碳载锰氧化物催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0007]1)将高锰酸钾溶于去离子水和乙醇的混合溶液中，并向混合溶液中一边搅拌一边缓慢加入还原性碳材料，得到悬浊液；
[0008]2)将步骤1)得到的悬浊液依次进行乳化和超声，得到混合均匀的悬浊液；
[0009]3)将步骤2)得到的混合均匀的悬浊液使用草酸调节pH至酸性后转移至烧瓶中，并将烧瓶置于恒温加热磁力搅拌器中加热反应；
[0010]4)将步骤3)反应得到的产物依次经抽滤、洗涤后转移至真空干燥箱中，干燥处理，得到黑色粉末状前驱体；
[0011]5)将步骤4)得到的黑色粉末前驱体在具有保护气成分的还原性气氛中进行煅烧处理，冷却后，通过微型震动球磨机球磨后得到碳载锰氧化物催化剂。
[0012]上述技术方案采用价廉易得的锰基作为原料，采用超声处理结合原位还原法制备碳载锰氧化物，在常压和较低的反应温度下，通过调节前驱体中锰、碳元素制备出具有尖晶
石型的碳载锰氧化物，其粒径为60
‑
70nm，分布均匀，可大规模制备。
[0013]上述技术方案利用高锰酸钾强氧化性，不用预处理碳材料，具有催化剂制备工艺简单、易操作、成本低等优点，可制备得到含有纳米级活性组分的负载型催化剂，且反应温度较温和。
[0014]上述技术方案中：
[0015]步骤1)中，采用具有还原性的乙醇与去离子水的混合溶液作为溶剂；
[0016]步骤2)中，采用乳化步骤，利用乳化机的高剪切力，较普通的超声使载体更均匀有利于碳材料的吸附；
[0017]步骤3)中，采用草酸作pH调节剂，在后续处理中只产生二氧化碳，不引入其他元素；
[0018]步骤3)中，在常压和较低的反应温度下进行反应，条件温和；
[0019]步骤5)中，所采用的还原性气氛中具有保护气成分，可以有效的避免副反应的产生，提高目标产物的产率。其中，锰氧化物为四氧化三锰。
[0020]具体的，步骤1)中，高锰酸钾与还原性碳材料的质量比为(2
‑
6)：(1
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3)。
[0021]具体的，还原性碳材料作为载体，可选自活性炭、VX72R、乙炔黑或碳纤维其中一种或者几种的混合，选择范围广。
[0022]具体的，步骤2)中：
[0023]采用乳化机进行乳化，乳化转速16000rpm，乳化时间10
‑
60min；
[0024]超声处理时间为20
‑
240min。
[0025]具体的，步骤3)中，调节pH值到1
‑
7。
[0026]具体的，步骤3)中，反应温度为60
‑
100℃，反应时间为30
‑
180min。
[0027]具体的，步骤4)中，干燥温度为50
‑
100℃，干燥时间2
‑
24h。
[0028]具体的，步骤5)中，煅烧气氛为氢气和无氧保护气体的混合气，两者的体积比为5：95。
[0029]具体的，所述无氧保护气体选自氮气或惰性气体中的任意一种或多种的混合。
[0030]具体的，步骤5)中，煅烧温度300
‑
500℃，保温时间为3
‑
6h，速率为2～5℃/min。
[0031]本专利技术还提供了上述制备方法制备得到的碳载锰氧化物催化剂。
[0032]本专利技术所提供的碳载锰氧化物催化剂
[0033]本专利技术有益效果：
[0034]本专利技术提供了超声处理结合原位还原制备碳载锰氧化物催化剂的方法。利用高锰酸钾强氧化性，不用预处理碳材料，具有催化剂制备工艺简单、易操作、成本低，成功制备出了含有纳米级活性组分的负载型催化剂，且反应温度较温和。
附图说明
[0035]图1为实施例1的流程图；
[0036]图2为实施例1所得催化剂的SEM图；
[0037]图3为实施例1所得催化剂的XRD图；
[0038]图4为测试例中的线性伏安曲线(LSV)测试图。
具体实施方式
[0039]以下对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。
[0040]实施例1
[0041]碳载锰氧化物制备：一种碳载四氧化三锰催化剂的制备方法，其制备方法包括以下步骤：
[0042](1)称取3g高锰酸钾溶于100mL乙醇和100mL去离子水中配成溶液，取研磨过筛0.5g的活性炭和0.5g的VX72R炭黑，边超声边振荡边缓慢加入炭粉。
[0043](2)将(1)得到的悬浊液以19000rpm进行乳化40min、超声得到混合均匀的悬浊液。
[0044](3)将(2)中的悬浊液使用草酸调节pH后转移至四口烧瓶中，置于恒温加热磁力搅拌器中加热反应，反应温度为85℃，反应时间为120min。
[0045](4)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳载锰氧化物催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将高锰酸钾溶于去离子水和乙醇的混合溶液中，并向混合溶液中一边搅拌一边缓慢加入还原性碳材料，得到悬浊液；2)将步骤1)得到的悬浊液依次进行乳化和超声，得到混合均匀的悬浊液；3)将步骤2)得到的混合均匀的悬浊液使用草酸调节pH至酸性后转移至烧瓶中，并将烧瓶置于恒温加热磁力搅拌器中加热反应；4)将步骤3)反应得到的产物依次经抽滤、洗涤后转移至真空干燥箱中，干燥处理，得到黑色粉末状前驱体；5)将步骤4)得到的黑色粉末前驱体在具有保护气成分的还原性气氛中进行煅烧处理，冷却后，通过微型震动球磨机球磨后得到碳载锰氧化物催化剂。2.根据权利要求1所述的碳载锰氧化物催化剂的制备方法，其特征在于：步骤1)中，高锰酸钾与还原性碳材料的质量比为(2
‑
6)：(1
‑
3)。3.根据权利要求1所述的碳载锰氧化物催化剂的制备方法，其特征在于：步骤2)中：采用乳化机进行乳化，乳化转速16000rpm，乳化时间10
‑
60min；超声处理时间为20
‑
240min。4.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王婷玉，邹光龙，韩威，杨洋，陈松，
申请(专利权)人：贵州民族大学，
类型：发明
国别省市：