一种镧钴锰碳纳米管双功能复合催化剂及其制备和应用_2

文档序号:9845714阅读:来源:国知局

[0032]图3为不同二氧化锰、硝酸钴、硝酸镧和碳纳米管质量比制备三元催化剂的极化曲线图;
[0033]图4为催化剂制备成空气电极与锌板组成单电池后载量为2mg/cm2的发电曲线图;
[0034]图5为催化剂制备成空气电极与锌板组成单电池后在1mAcnf2电流密度下长时间放电图;
[0035]图6为催化剂制备成空气电极与锌板组成单电池后在1mAcnf2电流密度下长时间放电比能量图;
[0036]图7为锌空电池在O?65mAcm—2电流密度下的电压变化图;
[0037]图8为锌空电池在1mAcnf2电流密度下10分钟一次循环的充放电图;
[0038]图9为锌空电池在50mAcm—2电流密度下8小时一次循环的充放电图;
[0039]图10为实施例1所得的双功能催化剂的电镜图。
【具体实施方式】
[0040]下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0041]本发明各实施例所述的碳纳米管从成都爱法纳米技术有限公司购入,其Length为15nm,OD为30-50nm。所述的高锰酸钾从国药集团化学试剂有限公司购入,为分析纯,分子量约158.03g。所述的硝酸钴从国药集团化学试剂有限公司购入,为分析纯,分子量约291.03g。所述的硝酸镧从国药集团化学试剂有限公司购入,为分析纯,分子量约234.03g。
[0042]实施例1
[0043]—种双功能催化剂,包括碳纳米管、氧化镧、氧化钴和二氧化锰。所述的二氧化锰为管状,长度在1_3μπι,内径在7-10nm;氧化钴为直径10-30nm的纳米颗粒,表面有空隙;氧化镧为200到600纳米的纳米棒,长度在0.2?0.5μπι,直径在1nm碳纳米管的长度为3-10μπι,碳纳米管、氧化钴和二氧化锰复合在一起。
[0044]双功能催化剂的制备方法为:
[0045](I)配置高锰酸钾和水的质量比为1.2:100的均一混合水溶液,室温下将高锰酸钾溶液和浓盐酸(浓度为37.5%,下同)的比为50g: 2ml的浓盐酸缓慢加入搅拌的高锰酸钾溶液中,搅拌直至混合均匀,将均一的溶液倒入高压釜中140°C下水热法反应12小时,冷却至室温,分别用去离子水和乙醇各清洗5次,然后70°C干燥12小时,得到二氧化锰前驱体;
[0046](2)分别称取0.1g上述二氧化锰前躯体,0.2g硝酸镧,0.2g硝酸钴以及0.05g碳纳米管,溶解于15ml的1.3mo 1/L氨水中,超声分散I小时,然后转移置高压釜150 °C反应5小时,冷却至室温,用去离子水清洗3次后60°C干燥8小时;
[0047](3)将上述的产物在300 °C下马弗炉中煅烧I小时,降到60°C以下时则研磨成粉末,即得双功能催化剂,如图10所示,本发明所述的颗粒状氧化钴以及棒状的硝酸镧生长在二氧化锰以及碳纳米管上。
[0048]将5mg的催化剂粉末溶于Iml乙醇和8μ1的5%的naf1n溶液中,超声30分钟形成均一催化剂浆液,然后滴涂到盘电极上,催化剂载量为50yg,然后自然晾干。
[0049]用电化学工作站测定催化剂的循环伏安曲线。在0.lmol/L的氢氧化钾溶液通入氧气30分钟,再将涂有催化剂的盘电极作工作电极,饱甘汞电极和Pt电极分别为参比电极和对电极,依次测定 CNTs,Co304/La203/Co304/Mn02/CNTs,La203/Co304/Mn02 以及 20%Pt/C 的 ORR和OER极化曲线。
[0050]实验结果如图2所示,结果表明催化剂的双功能的性能明显,ORR的起峰电位在0.94V,OER起峰电位在 I.44V。在0.2V时,La203/Co304/Mn02/CNTs,20 % Pt/C,CNTs;电流密度分别为5.1mA/cm—2,3.8mA/cm—2和I.8mA/cm—2,在OER上CosCU/MnO〗/CNTs则表现出十分优异的电化学性能,远优于20 % Pt/C催化剂。
[0051 ] 实施例2
[0052]双功能催化剂,包括碳纳米管、氧化镧、氧化钴和二氧化锰。所述的二氧化锰为管状,长度在l-3m,内径在7-10nm;氧化钴为直径10-30nm的纳米颗粒,表面有空隙;氧化镧为200到600纳米的纳米棒,长度在0.2?0.5m,直径在1nm碳纳米管的长度为3-10m,碳纳米管、氧化钴和二氧化锰复合在一起。
[0053]不同煅烧温度下三元催化剂的制备:
[0054](I)配置高锰酸钾和水的质量比为1.2:100的均一混合水溶液,室温下将高锰酸钾溶液和浓盐酸(浓度为37.5%,下同)的比为50g: 2ml的浓盐酸缓慢加入搅拌的高锰酸钾溶液中,搅拌直至混合均匀,将均一的溶液倒入高压釜中140°C下水热法反应12小时,冷却至室温,分别用去离子水和乙醇各清洗5次,然后70°C干燥12小时,得到二氧化锰前驱体;
[0055](2)分别称取0.1g上述二氧化锰前躯体,0.2g硝酸镧,0.2g硝酸钴以及0.05g碳纳米管,溶解于15ml的1.3mo 1/L氨水中,超声分散I小时,然后转移置高压釜150 °C反应5小时,冷却至室温,用去离子水清洗3次后60°C干燥8小时;
[0056](3)将上述的产物分别在200、300、400、500 °C下的马弗炉中煅烧I小时。降到60 V以下时则研磨成粉末,得到双功能催化剂。
[0057]分别称取5mg不同温度下的催化剂粉末溶于Iml乙醇和8 I的5%的naf 1n溶液中,超声30分钟形成均一的催化剂浆液,然后滴涂到盘电极上分别使催化剂载量均为100g,然后自然晾干。用电化学工作站测定催化剂的极化曲线图。在0.lmol/L的氢氧化钾溶液通入氧气30分钟,再将涂有催化剂的盘电极作为工作电极,饱甘汞电极和Pt电极分别为参比电极和对电极,依次测定三元催化剂在不同煅烧温度下制备的极化曲线。
[0058]实验结果如图3所示,结果表明催化剂在不同煅烧温度下,ORR的起峰电位与OER起峰电位出现了变化,在200-500°C下,ORR的起峰电位达到0.935V,0ER起峰电位达到1.43V,但是在0.2V时,200°C、300°C、400°C、500°C煅烧温度下NiCo204/CNTs电流密度分别为I.8mA/cm—2、5.8mA/cm2、6.1mA/cm2、1.9mA/cm2。因此锻烧温度为400 °C时催化剂效果最好。
[0059]实施例3
[0060]双功能催化剂,包括碳纳米管、氧化镧、氧化钴和二氧化锰。所述的二氧化锰为管状,长度在l-3m,内径在7-10nm;氧化钴为直径10-30nm的纳米颗粒,表面有空隙;氧化镧为200到600纳米的纳米棒,长度在0.2?0.5m,直径在1nm碳纳米管的长度为3-10m,碳纳米管、氧化钴和二氧化锰复合在一起。
[0061 ]双功能催化剂原料的不同质量比的制备方法:
[0062] (I)配置高锰酸钾和水的质量比为1.2:100的均一混合水溶液,室温下将高锰酸钾溶液和浓盐酸的比为101.2g:4ml的浓盐酸缓慢加入搅拌的高锰酸钾溶液中,搅拌直至混合均匀,将均一的溶液倒入高压釜中140°C水热法反应12小时,冷却至室温,分别用乙醇和去离子水各清洗3次,然后70°C干燥24小时,得到二氧化锰前驱体;
[0063 ] (2)称取的质量比分别为0.2:0.2:0.1:0.05;0.2:0.4:0.1:0.05;0.2:0.16:0.1:
0.05; 0.2:0.2:0.1硝酸镧,硝酸钴,上述二氧化锰前躯体以及碳纳米管溶解在氧化钴与氨水的比为0.2g: 15ml的1.3mo 1/L氨水中,超声分散I小时,转入高压釜中150 °C水热反应5小时,冷却至室温,用去离子水清洗5次,然后60 °C干燥8小时;
[0064](3)将上述的产物400 °C下在马弗炉中煅烧I小时。降到60°C以下时则研磨成粉末,即得双功能催化剂。
[0065]分别称取5mg的催化剂粉末溶于Iml乙醇和81的5%的naf1n溶液中,超声30分钟形成均一催化剂浆液,然后滴涂到盘电极上分别使催化剂载量均为100g,然后自然晾干。用电化学工作站测定催化剂的极化曲线图。在0.lmol/L的氢氧化钾溶液通入氧气30分钟,再将
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