【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电化学催化剂技术，具体涉及一种具有核壳结构的锰单原子碳基电催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
1、全球正面临着气候和能源危机，利用清洁、经济、可靠的新能源重塑当前化石燃料驱动的发展模式至关重要。金属空气电池具有安全、环保和高能量密度等优点，为下一代储能系统的发展提供了重要方向。然而，由于阴极氧还原反应(orr)的动力学过程缓慢，金属空气电池的优势受到严重限制。由于铂族金属(pgm)对orr具有很高的催化活性，因此已成为此类应用的主要催化剂。遗憾的是，其稀缺性和稳定性严重限制了其在能源转换设备中的大规模应用。在减少pgms的需求驱动下，过渡金属嵌入氮碳复合材料(m-n-c)因其与pt/c相媲美的orr催化活性而大有可为。
2、金属有机框架(mofs)具有独特的优势，如超高比表面积、明确的孔隙结构和可调节的成分，因此在电催化领域得到了广泛的发展。此外，以单原子催化剂(sacs)为基础的m-n-c可由mofs作为自吸附前驱体/模板制备而成。fe-n-c具有良好的活性，但其不利的fenton反应降低了稳定性。相反，mn-n-c在orr过程中的活性与fe-n-c相当，但fenton反应可忽略不计。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种具有核壳结构的锰单原子碳基电催化剂及其制备方法和应用，以解决现有技术中氧还原催化剂无法同时满足催化活性高、稳定性好以及储量丰富的问题。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以
3、本专利技术提供一种具有核壳结构的锰单原子碳基电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
4、(1)将600-800μl的1h-1,2,3-三氮唑和400-600μl质量浓度为50％的硝酸锰水溶液加入到30-50ml n,n-二甲基甲酰胺中并超声混合均匀，随后将其转移至80-120℃的恒温条件下进行12-24小时溶剂热反应；
5、(2)反应结束后抽滤，然后置于60-80℃的恒温干燥箱中进行干燥得到met-2；
6、(3)称取200-400mg经步骤(2)干燥后的粉末材料met-2，混合400-1200mg的双氰胺研磨均匀，然后在800-1000℃真空环境下的管式炉中进行一次热解，保温时间为1-2小时；
7、(4)将一次热解后的产物放入0.5-1mol/l的硫酸溶液中,并在60-80℃下搅拌10-12小时，然后使用超纯水清洗抽滤后烘干获得一次锰单原子核壳碳基氧还原催化剂；
8、(5)将一次锰单原子核壳碳基氧还原催化剂转移至充满n2的管式炉中，在与步骤(3)相同的温度下进行二次热解，保温时间为1-2小时，获得mn-n@8gra-l催化剂，即具有核壳结构的锰单原子碳基电催化剂。
9、本专利技术还涉及一种由上述方法制备的具有核壳结构的锰单原子碳基电催化剂。
10、本专利技术还涉及一种由上述方法制备的具有核壳结构的锰单原子碳基电催化剂在一次锌-空气电池和可充放电锌-空气电池中的应用。
11、进一步地，所述一次锌-空气电池正极的制备方法为：称取2mg mn-n@8gra-l催化剂均匀分散在195μl乙醇和5μl萘酚的混合溶液中，再均匀涂在4cm2碳布上；
12、所述一次锌-空气电池采用厚度为0.2mm的zn片作为负极，6mol/l koh溶液为电解液。
13、进一步地，所述可充放电锌-空气电池正极的制备方法为：称取2mg mn-n@8gra-l催化剂和2mg ruo2均匀分散在390μl乙醇和10μl萘酚的混合溶液中，再均匀涂在4cm2碳布上；
14、所述可充放电锌-空气电池采用厚度为0.2mm的zn片作为负极，koh和zn(ac)2的混合溶液为电解液；其中koh的浓度为6mol/l，zn(ac)2的浓度为0.2mol/l。
15、本专利技术与现有技术相比，具有如下技术效果：
16、本专利技术使用原位热冲蚀策略制备了具有核壳结构的锰单原子碳基电催化剂，该催化剂具有较高的比表面积(1062.6m2/g)。本专利技术制备的mn-n@8gra-l催化剂表现出比pt/c催化剂更为优异的orr活性(e1/2＝0.875v vs.rhe)，将其作为正极氧还原催化剂组装的一次锌-空气电池具有的高能量密度，远高于pt/c组装的一次锌-空气电池的能量密度基于mn-n@8gra-l催化剂的可充放电锌-空气电池也表现出较pt/c催化剂组装的可充放电锌-空气电池更为优异的长期稳定性(△e＝82.7mv)。据申请人所知，这是本领域首次通过热解过程一步形成具有核壳结构的碳基催化剂并应用于orr领域，而非常温表面修饰形成。本专利申请为后期设计各种高效单原子位点并具有核壳结构的催化剂提供了新的思路。
17、本专利技术使用原位热冲蚀策略将过渡金属锰以单原子形式负载在具有核壳结构的介孔主导的分级孔氮掺杂碳材料中并应用于氧还原反应(orr)。在热解初始阶段，在加热条件下的双氰胺热诱导在met-2晶体表面产生包覆met-2碳基质的聚合物外壳。随着热解温度的升高，聚合物外壳热解为类石墨烯外壳。紧接着，1h-1,2,3三氮唑有机配体和类石墨烯外壳受热自分解产生氨气、cxny+等气体冲蚀内核碳基质，从而获得具有高比表面积和介孔丰富的分级孔结构的锰单原子核壳碳基氧还原催化剂。与此同时，类石墨烯外壳分解产生的氨气、cxny+等气体不仅补充了碳基质中的氮含量，还抑制了有机配体中氮源的流失，以此增加锚定过渡金属锰单原子的载量，提高了该催化剂的电催化活性，核壳结构的存在，进一步提高了催化剂的稳定性。介孔主导的分级孔结构和单原子位点的协同效应有利于提高该催化剂的催化活性和电池性能。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种具有核壳结构的锰单原子碳基电催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.一种如权利要求1所述方法制备的具有核壳结构的锰单原子碳基电催化剂。
3.一种如权利要求1所述方法制备的具有核壳结构的锰单原子碳基电催化剂在一次锌-空气电池和可充放电锌-空气电池中的应用。
4.如权利要求3所述的应用，其特征在于，所述一次锌-空气电池正极的制备方法为：称取2mg Mn-N@8Gra-L催化剂均匀分散在195μL乙醇和5μL萘酚的混合溶液中，再均匀涂在4cm2碳布上；
5.如权利要求3所述的应用，其特征在于，所述可充放电锌-空气电池正极的制备方法为：称取2mg Mn-N@8Gra-L催化剂和2mg RuO2均匀分散在390μL乙醇和10μL萘酚的混合溶液中，再均匀涂在4cm2碳布上；
【技术特征摘要】
1.一种具有核壳结构的锰单原子碳基电催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.一种如权利要求1所述方法制备的具有核壳结构的锰单原子碳基电催化剂。
3.一种如权利要求1所述方法制备的具有核壳结构的锰单原子碳基电催化剂在一次锌-空气电池和可充放电锌-空气电池中的应用。
4.如权利要求3所述的应用，其特征在于，所述一次锌-空气电...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭朝中，陈洪点，金容，束晨阳，陈江林，吴金艳，陈奕敏，
申请(专利权)人：重庆文理学院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。