CN105895929B - 一种金属空气电池电极催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料合成领域，公开了一种金属空气电池电极催化剂及其制备方法和应用。制备方法按照两步法，具体操作步骤：将无定型MnO2与等摩尔量的硫酸盐加入至蒸馏水溶液当中，加入酸将溶液H离子浓度调整为1～3mol/L，在80℃温度下静置反应24h以上，所得产物经过滤、洗涤而后干燥即得到金属空气电池电极催化剂。该制备方法简单，控制方便，产量大，易于工业化等优点。制备的金属空气电池电极催化剂作为电极活性材料，在氧还原性能测试中表现出良好的催化性能。

Description

一种金属空气电池电极催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于材料合成领域，特别涉及一种金属空气电池电极催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
清洁的可再生能源是应对能源和环境危机的有效途径之一，在诸多的可再生能源中，化学能源能量转化率高，便于携带一直是研究的热点。其中，金属空气电池，因为具有极高的理论能量密度，因此作为新一代动力电池系统备受关注。
影响金属空气电池性能的主要因素之一是氧电极(空气电极)的催化剂，这对改善电极的极化性能，提高工作和开路电压极为重要。氧电极的作用是在催化剂作用下发生氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction，ORR)。目前，部分商业的金属空气电池采用的氧电极活性材料主要是Pt，Pd等贵金属，贵金属性能虽然好，但是价格昂贵，容易流失，因此寻找廉价、稳定的催化剂成为研究的热点。上述廉价催化剂包括各种碳材料，过渡金属氧化物，碳化物等。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明的首要目的在于提供一种金属空气电池电极催化剂的制备方法。
本发明的另一目的在于提供上述制备方法制备得到的金属空气电池电极催化剂。该催化剂是一种廉价过渡金属氧化物——氧化锰。
本发明的再一目的在于提供上述金属空气电池电极催化剂的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种金属空气电池电极催化剂的制备方法，按照以下操作步骤：将无定型MnO2与等摩尔量的硫酸盐加入至蒸馏水溶液当中，加入酸将溶液H离子浓度调整为1～3mol/L，在80℃温度下静置反应24h以上，所得产物经过滤、洗涤而后干燥即得到金属空气电池电极催化剂。
优选的，所述酸为硫酸。
优选的，所述硫酸盐为硫酸钾或者硫酸铵。
优选的，所述无定型MnO2由如下步骤合成：将高锰酸钠与硫酸锰加入至蒸馏水中，常温静置12h即得所述的无定型MnO2。
优选的，所述高锰酸钠与硫酸锰的摩尔比大于等于2:3。
一种由上述制备方法得到的金属空气电池电极催化剂。
上述的金属空气电池电极催化剂在金属空气电池中的应用。
本发明相对现有技术，具有如下的优点及有益效果：
(1)本发明采用2步法制备金属空气电池电极催化剂，该制备方法简单，控制方便，产量大，易于工业化等优点；
(2)本发明制备的金属空气电池电极催化剂作为电极活性材料，在氧还原性能测试中表现出良好的催化性能。
附图说明
图1为本发明的实施例1制备的催化剂X射线衍射图。
图2为本发明的实施例1制备的催化剂扫描电镜图。
图3为本发明的实施例1所制备催化剂的电催化氧化的性能图。
图4为本发明的实施例2制备的催化剂X射线衍射图。
图5为本发明的实施例2制备的催化剂扫描电镜图。
图6为本发明的实施例2所制备催化剂的电催化氧化的性能图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如无特别说明，以下实施例所使用的无定型MnO2均按如下步骤合成：将0.4mmol高锰酸钠和0.6mol硫酸锰加入至80mL蒸馏水当中，搅拌溶解后静置12h得到无定型MnO2，然后过滤、洗涤、干燥后得到无定型MnO2，待用。
发明人通过实验发现，如果高锰酸钠和硫酸锰的摩尔比小于2:3时，虽然也可以得到无定型MnO2，但是该无定型MnO2作为前驱体时却无法得到纯相的α-MnO2，得到的是γ-MnO2。
实施例1
将0.2mmol无定型MnO2与等摩尔量的硫酸钾加入至80mL蒸馏水当中，加入硫酸将溶液H离子浓度调整为1mol/L，在80℃温度下静置反应24h，所得产物经过滤、洗涤而后干燥即得到金属空气电池电极催化剂。然后将上述电极催化剂进行表征，其XRD衍射图如图1，我们可知其与JCPDF标准卡PDF#44-0141型号的α-MnO2对应；图2为本实施例制备的催化剂的扫描电镜图，从图中可以看出其为一种直径很短的一维纳米棒结构。本制备方法所选用的原料中，阴离子只含有硫酸根，有利于对于生成的α-MnO2进行保护。
实施例2
将0.2mmol无定型MnO2与等摩尔量的硫酸铵加入至80mL蒸馏水溶液当中，加入硫酸将溶液H离子浓度调整为3mol/L，在80℃温度下静置反应24h，所得产物经过滤、洗涤而后干燥即得到金属空气电池电极催化剂。然后将上述电极催化剂进行表征，其XRD衍射图如图4，我们可知其与JCPDF标准卡PDF#82-1450型号的α-MnO2对应；图5为本实施例制备的催化剂的扫描电镜图，从图中可以看出其为一种直径很短的一维纳米棒结构。
实施例3
将实施例1所制备的金属空气电池电极催化剂做成电极在碱性溶液、1600转速中测试电催化氧还原能力(其电极制备和实验过程为现有技术，在此不再详细描述)。其电催化氧化的性能图如图3所示，其起始还原电位为5.39V，极限电流密度为0.87mA cm-2，3mAcm-2的电位位于0.73V，显示了优异的氧还原性能。
实施例4
将实施例2所制备的金属空气电池电极催化剂做成电极在碱性溶液、1600转速中测试电催化氧还原能力(其电极制备和实验过程为现有技术，在此不再详细描述)。其电催化氧化的性能图如图6所示，其起始还原电位为0.88V，极限电流密度为5.54mA cm-2，3mAcm-2的电位位于0.76V，显示了优异的氧还原性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种金属空气电池电极催化剂的制备方法，其特征在于按照以下操作步骤：将无定型MnO2与等摩尔量的硫酸盐加入至蒸馏水溶液当中，加入酸将溶液H离子浓度调整为1~3mol/L，在80℃温度下静置反应24h以上，所得产物经过滤、洗涤而后干燥即得到金属空气电池电极催化剂；所述无定型MnO2由如下步骤合成：将摩尔比大于等于2:3的高锰酸钠与硫酸锰加入至蒸馏水中，常温静置12h即得所述的无定型MnO2。
2.根据权利要求1所述的一种金属空气电池电极催化剂的制备方法，其特征在于：所述的酸为硫酸。
3.根据权利要求1所述的一种金属空气电池电极催化剂的制备方法，其特征在于：所述硫酸盐为硫酸钾或者硫酸铵。
4.一种由权利要求1~3任一项所述制备方法得到的金属空气电池电极催化剂。
5.根据权利要求4所述的金属空气电池电极催化剂在金属空气电池中的应用。
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