【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复合催化材料，具体涉及一种富氧空位ni-mno异质催化材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、由于化石燃料的稀缺和日益严重的环境问题，开发可持续能源储存和转换系统，对于缓解环境污染和能源危机至关重要。可充电锌空气电池，因其能量密度高(1084wh kg-1)、成本低、安全性高和生态友好性强，而被视为下一代能源存储和转换设备。
2、然而，氧还原反应(orr)和氧析出反应(oer)涉及空气阴极的四电子转移，其缓慢的动力学限制了锌空气电池的大规模商业化。贵金属基材料，如碳基铂(pt/c)和氧化钌(ruo2)是最先进的orr和oer电催化剂，但是贵金属基电催化剂成本高、稀缺、功能单一且电化学耐久性差，因此有必要为orr和oer开发替代的电催化剂。
3、以过渡金属为基础的材料，如合金、氧化物、硫化物、氮化物和磷化物等过渡金属基材料，其成本低，电化学活性好，在操作过程中具有优异的稳定性，已被广泛研究作为可充电锌空电池的替代电催化剂。其中，过渡金属氧化物在oer和orr方面具有多功能氧化还原特性和较高的电化学耐久性。但是，与pt/c和ruo2相比，大多数金属氧化物具有较宽的能带隙和较低的电导率，电化学性能较差。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种富氧空位ni-mno异质催化材料及其制备方法和应用，本专利技术提供的富氧空位ni-mno异质催化材料催化活性和稳定性高，电化学性能优异。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：p>
3、本专利技术提供了一种富氧空位ni-mno异质催化材料，包括富氧空位ni-mno异质材料和负载所述富氧空位ni-mno异质材料的氮掺杂多孔碳纳米纤维；
4、所述富氧空位ni-mno异质材料的粒径为50～200nm；
5、所述氮掺杂多孔碳纳米纤维的石墨化度为0.8～1.5。
6、优选的，所述富氧空位ni-mno异质材料与氮掺杂多孔碳纳米纤维的质量比为1～4:4～1。
7、优选的，所述氮掺杂多孔碳纳米纤维的直径为50～500nm，氮掺杂量为1％～20％。
8、优选的，所述氮掺杂多孔碳纳米纤维的比表面积为50～400m2 g-1，孔隙率为0.01～0.30cm3 g-1。
9、本专利技术还提供了上述方案所述富氧空位ni-mno异质催化材料的制备方法，包括以下步骤：
10、(1)将聚合物、可溶性镍源、可溶性锰源和良溶剂混合后静电纺丝，得到ni2+/mn2+/pan纳米纤维材料前驱体；所述聚合物为聚丙烯腈或聚乙烯吡咯烷酮；
11、(2)将所述ni2+/mn2+/pan纳米纤维材料前驱体预氧化后在惰性气氛中煅烧，得到碳纳米纤维负载的ni-mno异质材料；所述煅烧的温度为500～900℃，保温时间为1～5h；
12、(3)将所述碳纳米纤维负载的ni-mno异质材料在碱水溶液中离子交换，得到富氧空位ni-mno异质催化材料；所述碱水溶液为naoh水溶液或koh水溶液。
13、优选的，步骤(1)中，所述聚合物与可溶性镍源的质量比为50～200:9～55；所述聚合物与可溶性锰源的质量比为50～200:8～35。
14、优选的，步骤(2)中，所述预氧化的温度为150～250℃，保温时间为1～5h。
15、优选的，步骤(2)中，所述煅烧的升温速率为1～20℃/min。
16、优选的，步骤(1)中，所述静电纺丝的工作电压为10～30kv，工作距离为6～20cm。
17、本专利技术还提供了上述方案所述富氧空位ni-mno异质催化材料或上述方案所述制备方法得到的富氧空位ni-mno异质催化材料作为碱性介质中氧还原和氧析出反应催化剂的应用。
18、本专利技术提供了一种富氧空位ni-mno异质催化材料。本专利技术将金属氧化物与金属单质强耦合，产生的强耦合异质界面构建mott-schottk势垒，诱导带状结构弯曲以及电子从金属单质自发转移到金属氧化物，异质界面处的电荷重新分布形成内置电场，从而有效地促进电子转移；并且，材料的电荷再分配可能导致金属表面上多余的电子富集，从而加速电催化反应过程。
19、本专利技术在氧化物表面通过离子交换引入氧空位，可以优化含氧反应物的吸附/解离能，这归因于含氧反应物中o-o和o-h键长度的延长，过渡金属与含氧反应物在空位位置上强键合。
20、本专利技术采用的一维纳米纤维材料具有较大的比表面积、电子的定向传输能力、减少的质量扩散路径和充足的电解质-电极接触面积，并含有丰富的n元素，将活性组分锚定在碳质衬底上，不仅可以牢固地稳定活性位点，还可以通过ni与mno的协同作用、氧空位的提升和强金属-载体相互作用，以及ni-mno异质材料活性物质与碳纳米纤维载体之间的协同作用与结构优势，有效增加两相界面处电子云密度，促进反应中电子快速转移，从而提高在碱性介质中氧还原和氧析出反应的催化活性及稳定性，将其用作锌空电池正极材料时表现出较商业pt/c+ruo2电极高的功率密度及稳定性。
21、此外，富氧空位ni-mno异质材料粒子尺寸较小，具有优异的电化学活性和较多的催化活性位点；多孔碳纳米纤维的结构，使催化剂材料具有较大的比表面积，同时碳基材料的微孔结构能够有效地促进电解液与催化剂的接触，有利于反应的发生；多孔且高度石墨化的碳纳米纤维基质材料能够有效的锚定活性富氧空位ni-mno异质纳米粒子，使其在反应过程中不易发生团聚和脱落的现象，有利于维持碳复合结构的完整性；聚丙烯腈和金属源廉价易得，聚丙烯腈氮含量较高，氮的掺入可有效改变碳载体的导电性，从而提高材料的电催化性能，同时离子交换能够显著提升材料的氧空位浓度。
22、本专利技术还提供了上述方案所述富氧空位ni-mno异质催化材料的制备方法。本专利技术以可溶性镍源和可溶性锰源为金属源，聚丙烯腈为碳氮源，溶于良溶剂，通过静电纺丝得到包覆有ni2+和mn2+金属阳离子的纳米纤维材料前驱体，利用ni2+和mn2+金属阳离子与聚丙烯腈中氮氧元素的静电吸附作用，将金属吸附在纳米纤维内部和表面上，经过预氧化和惰性气氛下煅烧还原，得到包覆有ni-mno异质材料的碳纳米纤维材料，然后在碱液里进行离子交换处理，得到氮掺杂的多孔碳纳米纤维负载富氧空位ni-mno异质催化材料。
23、本专利技术提供的制备方法步骤简单，通用性强，成本低廉，操作方便，可实现大规模生产，得到的富氧空位ni-mno异质催化材料形貌规整，呈现一维网络交织状，其中的ni-mno异质材料尺寸较小，并被高度石墨化碳固定在交织的碳纳米纤维内部。
24、本专利技术还提供了上述方案所述富氧空位ni-mno异质催化材料或上述方案所述制备方法得到的富氧空位ni-mno异质催化材料作为碱性介质中的氧还原和氧析出反应催化剂的应用。本专利技术提供的富氧空位ni-mno异质催化材料具有比表面积大、活性位点多、半波电位高以及稳定性良好和多维复合结构等特点，与常规的pt基催化剂材料相比具本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种富氧空位Ni-MnO异质催化材料，包括富氧空位Ni-MnO异质材料和负载所述富氧空位Ni-MnO异质材料的氮掺杂多孔碳纳米纤维；
2.根据权利要求1所述富氧空位Ni-MnO异质催化材料，其特征在于，所述富氧空位Ni-MnO异质材料与氮掺杂多孔碳纳米纤维的质量比为1～4:4～1。
3.根据权利要求1所述富氧空位Ni-MnO异质催化材料，其特征在于，所述氮掺杂多孔碳纳米纤维的直径为50～500nm，氮掺杂量为1％～20％。
4.根据权利要求1所述富氧空位Ni-MnO异质催化材料，其特征在于，所述氮掺杂多孔碳纳米纤维的比表面积为50～400m2 g-1，孔隙率为0.01～0.30cm3 g-1。
5.权利要求1～4任一项所述富氧空位Ni-MnO异质催化材料的制备方法，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述聚合物与可溶性镍源的质量比为50～200:9～55；所述聚合物与可溶性锰源的质量比为50～200:8～35。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述煅烧的升温速率为1～20℃/min。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述静电纺丝的工作电压为10～30kV，工作距离为6～20cm。
10.权利要求1～4任一项所述富氧空位Ni-MnO异质催化材料或权利要求5～9任一项所述制备方法得到的富氧空位Ni-MnO异质催化材料作为碱性介质中的氧还原和氧析出反应催化剂的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种富氧空位ni-mno异质催化材料，包括富氧空位ni-mno异质材料和负载所述富氧空位ni-mno异质材料的氮掺杂多孔碳纳米纤维；
2.根据权利要求1所述富氧空位ni-mno异质催化材料，其特征在于，所述富氧空位ni-mno异质材料与氮掺杂多孔碳纳米纤维的质量比为1～4:4～1。
3.根据权利要求1所述富氧空位ni-mno异质催化材料，其特征在于，所述氮掺杂多孔碳纳米纤维的直径为50～500nm，氮掺杂量为1％～20％。
4.根据权利要求1所述富氧空位ni-mno异质催化材料，其特征在于，所述氮掺杂多孔碳纳米纤维的比表面积为50～400m2 g-1，孔隙率为0.01～0.30cm3 g-1。
5.权利要求1～4任一项所述富氧空位ni-mno异质催化材料的制备方法，包括以下步骤：
【专利技术属性】
技术研发人员：葛超，王彦卿，张红梅，杨云霞，朱大亮，
申请(专利权)人：盐城师范学院，
类型：发明
国别省市：
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