一种含四氧化三锰-碳/羟基氧化铁复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于新一代能源存储与催化技术领域，本发明专利技术公开了一种含四氧化三锰

【技术实现步骤摘要】
一种含四氧化三锰
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碳/羟基氧化铁复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及新一代能源存储与催化
，尤其涉及一种含四氧化三锰
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碳/羟基氧化铁复合材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]氢气被认为是未来主要的清洁能源，因而高效制备氢气是当今主要的技术发展方向。电解水制氢是高效制备氢气的常用方式之一，该过程中电解水阳极端的氧气析出反应(oxygen evolution reaction,OER)因涉及多电子转移步骤、理论电势高、动力学缓慢等因素，已成为电解水制氢应用的瓶颈。而催化剂的引入能够有效降低OER的反应势垒并加速其反应动力学过程。因此开发高效电解水阳极端催化剂成为当下氢能研究领域亟待解决的问题。
[0003]锰作为典型的过渡金属，其氧化物具有强烈的催化活性，以碳质结构为支撑框架而稳定存在的四氧化三锰
‑
碳结构，既能发挥锰的优势而具有较高的OER本征催化活性，又能发挥碳骨架的优势而提高材料稳定性。另一方面，同为3d过渡族金属的Fe，其羟基氧化物(FeOOH)由于对OER过程含氧中间体表现出较强的吸附能力，导致中间产物不易脱附，从而限制了其催化活性的发挥。有研究表明，将FeOOH与其他组分构筑成复合结构，则能充分发挥其OER催化活性。
[0004]因此，本专利技术以含Mn3O4的碳质材料为基底，并在其表面负载含铁的FeOOH颗粒结构，构筑了一种含碳包裹的四氧化三锰与羟基氧化铁界面结构的复合材料Mn3O4/C@FeOOH，该复合材料在驱动碱性电解水阳极端催化反应过程表现出电催化活性强、稳定性好的优势，为实现低成本电解水制氢提供了一条行之有效的策略。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种具有八面体几何构型，且含四氧化三锰
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碳/羟基氧化铁复合材料Mn3O4/C@FeOOH的制备方法，旨在通过构建含碳包裹四氧化三锰基底与羟基氧化铁的界面异质结结构，通过构筑该界面，实现对复合材料电解水阳极端催化活性的优化调控，最终实现低能耗电解水制氢。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术提供一种含四氧化三锰
‑
碳/羟基氧化铁复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008]S1：含锰前驱体的制备：
[0009]将锰盐和月桂酸溶于甲醇中，得溶液A；将均苯三甲酸溶于甲醇中，得溶液B；
[0010]将溶液B倒入溶液A中，得初始反应溶液，进行甲醇溶剂热反应，反应结束后，得到含锰前驱体的土黄色固体粉末Mn
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MIL；
[0011]S2：四氧化三锰
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碳基底的制备：
[0012]取步骤S1中制得的含锰前驱体土黄色固体粉末Mn
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MIL，进行热处理，至反应结束后待自然降温，得含四氧化三锰的碳质材料Mn3O4/C；
[0013]S3：含四氧化三锰
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碳/羟基氧化铁异质结界面复合材料的制备：
[0014]将步骤S2中制得的含四氧化三锰的碳质材料Mn3O4/C与七水合硫酸亚铁分散在去离子水中，进行反应，反应结束后，得含四氧化三锰
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碳/羟基氧化铁复合材料Mn3O4/C@FeOOH。
[0015]作为优选，步骤S1中，所述锰盐为硝酸锰、硫酸锰和氯化锰中的一种。
[0016]作为优选，步骤S1中，所述A溶液中锰盐浓度为0.014～0.018mol/L，A溶液中月桂酸浓度为0.4～0.5mol/L，B溶液中均苯三甲酸浓度为0.08～0.12mol/L。
[0017]作为优选，步骤S1中，所述甲醇溶剂热反应的温度为100～150℃；步骤S2中，所述热处理的温度为400～600℃；步骤S3中，所述反应的温度为35～60℃。
[0018]作为优选，步骤S1中，所述甲醇溶剂热反应在密封容器中进行，所述密封容器与初始反应溶液的体积比为1.8～2.5:1；步骤S2中，所述热处理在惰性气体保护下进行，所述惰性气体为氩气或氮气。
[0019]作为优选，步骤S1中，所述甲醇溶剂热反应的时间为≥3h，步骤S2中，所述热处理的时间为≥2h，步骤S3中，所述反应的时间为≥0.5h。
[0020]作为优选，步骤S3中，所述含四氧化三锰的碳质材料Mn3O4/C与七水合硫酸亚铁的质量比为1:5～1:1，所述七水合硫酸亚铁的浓度为0.1～2mg/mL。
[0021]本专利技术还提供了所述含四氧化三锰
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碳/羟基氧化铁复合材料的制备方法制备得到的含四氧化三锰
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碳/羟基氧化铁复合材料。
[0022]本专利技术还提供了所述含四氧化三锰
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碳/羟基氧化铁复合材料在驱动电解水催化反应中的应用。
[0023]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术有益效果如下：
[0024]1)本专利技术采用一步溶剂热法制备初始前驱体，该方法涉及的制备工艺简单，原材料价格便宜，产物结构均匀、成品率高，且涉及的甲醇溶剂可回收反复利用，且其回收工艺简单，能耗低，适合大规模生产；
[0025]2)本专利技术制备的四氧化三锰
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碳/羟基氧化铁复合材料兼具过渡金属化合物活性和碳框架的稳定性优点，并有效利用四氧化三锰
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碳基底与羟基氧化铁形成的异质结界面结构，通过界面耦合作用，有助于优化局域电子结构，并协同增强其整体催化活性；
[0026]3)本专利技术制备的四氧化三锰
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碳/羟基氧化铁复合材料具有纳米尺度上规则的八面体几何结构，比表面积较大，不仅有利于催化剂与电解液的充分接触，还有助于电荷的快速迁移，提升其在电催化水分解过程中的动力学速度。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0028]图1是本专利技术实施例1制备的复合材料Mn3O4/C@FeOOH及其负载前基底Mn3O4/C的X
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射线衍射(XRD)图；
[0029]图2是本专利技术实施例1制备的复合材料Mn3O4/C@FeOOH在不同放大倍数下的扫描电镜(SEM)图，其中，a表示放大倍数为14K的扫描电镜(SEM)图，b表示放大倍数为30K的扫描电镜(SEM)图；
[0030]图3是本专利技术实施例1制备的复合材料Mn3O4/C@FeOOH的透射电镜(TEM)图；
[0031]图4是本专利技术实施例1制备的复合材料Mn3O4/C@FeOOH其TEM模式下的各元素分布(TEM
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Mapping)图；
[0032]图5为本专利技术实施例1制备的复合材料Mn3O4/C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含四氧化三锰
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碳/羟基氧化铁复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：含锰前驱体的制备：将锰盐和月桂酸溶于甲醇中，得溶液A；将均苯三甲酸溶于甲醇中，得溶液B；将溶液B倒入溶液A中，得初始反应溶液，进行甲醇溶剂热反应，反应结束后，得到含锰前驱体的土黄色固体粉末Mn
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MIL；S2：四氧化三锰
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碳基底的制备：取步骤S1中制得的含锰前驱体土黄色固体粉末Mn
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MIL，进行热处理，至反应结束后待自然降温，得含四氧化三锰的碳质材料Mn3O4/C；S3：含四氧化三锰
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碳/羟基氧化铁异质结界面复合材料的制备：将步骤S2中制得的含四氧化三锰的碳质材料Mn3O4/C与七水合硫酸亚铁分散在去离子水中，进行反应，反应结束后，得含四氧化三锰
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碳/羟基氧化铁复合材料Mn3O4/C@FeOOH。2.根据权利要求1所述的含四氧化三锰
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碳/羟基氧化铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述锰盐为硝酸锰、硫酸锰和氯化锰中的一种。3.根据权利要求1所述的含四氧化三锰
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碳/羟基氧化铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述A溶液中锰盐浓度为0.014～0.018mol/L，A溶液中月桂酸浓度为0.4～0.5mol/L，B溶液中均苯三甲酸浓度为0.08～0.12mol/L。4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐红梅，黎建刚，黄振雄，李琴，邓同辉，詹聪，
申请(专利权)人：江西省科学院能源研究所，
类型：发明
国别省市：