专利名称：一种用于锂空气电池阴极的催化剂及制备方法
技术领域：
本发明属于锂空气电池领域，具体涉及一种用于锂空气电池阴极的催化剂及制备方法。
背景技术：
理论上，由于空气中的氧气作为锂空气电池正极反应物不受限，锂空气电池的容量仅取决于锂电极，其比能量为5.21 kWh/kg (包括氧气质量),或11.14kffh/kg (不包括氧气质量)，是目前锂离子电池的10倍以上。另外，相对于其他的金属-空气电池，锂空气电池具有更高的比能量，而且锂空气电池是无污染的。因此近年来，锂空气电池引起越来越多研究者的关注。但是锂空气电池正极的氧气还原反应是缓慢反应，由于目前催化剂性能的限制，电池在充放电过程中存在过电压，导致了很大的能量损失，大大降低了电池可充电性，从而降低了电池的充放电循环效率和循环性能，难以商业化应用。因此迫切需要寻找高性能的催化剂，以加快氧气还原反应速度，减少电池过电压，提高充放电循环效率和循环性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够提高氧气还原反应速度、降低过电压、改善锂空气电池性能的催化剂，同时也提供上述催化剂的一种成本低廉、操作简单、无污染的制备方法，以客服现有技术不足。本发明的目的是通过以下技术方案来解决的:一种用于锂空气电池阴极的催化剂，包括纳米二氧化锰活性组分和金属有机骨架(MOFs)，其中，MOFs与纳米二氧化锰的摩尔比为5:1 30:1。一种用于锂空气电池阴极的催化剂的制备方法，包括以下步骤:取高锰酸钾和还原剂，加入蒸馏水使其溶解，加入MOFs，搅拌10 30min后加入高压反应釜中，在140 180°C下水热反应8 72h，水热反应后冷却至室温，过滤，将下层沉淀在50 150°C干燥10 24h后即催化剂。上述制备过程中，原料摩尔比为高猛酸钾:还原剂:蒸懼水:M0Fs=l: 1:1:5 1:1:2:30.
上述制备过程中，还原剂为氯化铵、硫酸锰、或1.0 5.0mol/L的盐酸。本发明的另一种制备用于锂空气电池阴极的催化剂的方法，包括以下步骤:(I)将MOFs加入到蒸馏水中，于50 80°C搅拌20 60min，其中蒸馏水与MOFs的质量比为50:1 200:1 ;(2)按照摩尔比1:2 4:2称取MnCl2 4H20和KMnO4，加入至Ij 50 80°C的热水中；(3)逐滴将所 述步骤(2)中得到的溶液加入步骤(I)所得到的溶液中，50 80°C下搅拌I 2h，离心，过滤，并用去离子水洗涤，然后将过滤出的沉淀置于干燥箱中在70 150°C干燥8 IOh，即得催化剂。
上述制备方法中，步骤(2)中的MnCl2 4H20用硫酸锰代替。与现有技术相比，由于MOFs具有超高的比表面积，将二氧化锰与负载在MOFs材料上，既增加了电极的比表面积，又提高了催化剂的催化效率，大大地降低过电压，提高了锂空气电池的性能。同时，催化剂的制备方法具有简单易行，无需采用复杂苛刻的反应条件，可实施性强，无污染等优点。
具体实施例方式实施例1向50mL反应釜中加入0.5mmol KMnO4,0.5mmol NH4Cl和30mL去离子水，以及IOmgMOFs,搅拌lOmin，然后置于烘箱中，在140°C下反应8h，然后进行离心、过滤，再用去离子水和无水乙醇反复洗涤多次，最后在80°C干燥12h，得催化剂样品。实施例2向50mL反应爸中加入0.7mmol KMnO4,0.7mmo1 MnSO4和35mL去离子水，以及20mgM0Fs，搅拌lOmin，然后置于烘箱中，在180°C下反应24h，然后进行离心、过滤，再用去离子水和无水乙醇反复洗涤多次，最后在150°C干燥12h，得催化剂样品。实施例3向50mL反应爸中加入0.Qmmol KMnO4,0.Qmmol HCl和35mL去离子水，以及37mgMOFs，搅拌lOmin，然 后置于烘箱中，在160°C下反应72h，然后进行离心、过滤，再用去离子水和无水乙醇反复洗涤多次，最后在130°C干燥24h，得催化剂样品。实施例4将150mL蒸馏水加入密闭容器中，加热到50°C，加入0.5g MOFs，于50°C搅拌20min，得溶液1，将1.4g MnCl2 H2O和3.16g KMnO4 (二者摩尔比为1:2)溶于25mL热水中，得溶液2 ;将溶液2逐滴加入溶液I中，70°C搅拌lh，过滤，去离子水洗涤，然后70°C干燥8h，得催化剂样品。实施例5将150mL蒸馏水加入密闭容器中，加热到80°C，加入0.5g MOFs，于80°C搅拌20min，得溶液1，将5.1g MnSO4 H2O和3.16g KMnO4 (二者摩尔比为3:2)溶于25mL热水中，得溶液2 ;将溶液2逐滴加入溶液I中，70°C搅拌lh，过滤，去离子水洗涤，然后70°C干燥10h，得催化剂样品。
权利要求
1.一种用于锂空气电池阴极的催化剂，其特征在于，该催化剂包括纳米二氧化锰活性组分和金属有机骨架化合物(MOFs)载体，MOFs与纳米二氧化锰的摩尔比为5:1 30:1。
2.一种根据权利要求1所述用于锂空气电池阴极的催化剂，其特征在于，催化剂的制备方法如下: 取高锰酸钾和还原剂，加入蒸馏水使其溶解，加入MOFs，搅拌10 30min后加入高压反应釜中，在140 180°C下水热反应8 72h，水热反应后冷却至室温，过滤，将下层沉淀在50 150°C干燥10 24h后即得催化剂；其中，原料摩尔比为高锰酸钾:还原剂:蒸馏水:MOFs=1:1:1:5 1:1:2:30。
3.根据权利要求2所述的一种用于锂空气电池阴极的催化剂及制备方法，其特征在于，所述还原剂为氯化铵、硫酸锰、或1.0 5.0mol/L的盐酸。
4.一种根据权利要求1所述用于锂空气电池阴极的催化剂，其特征在于，催化剂的制备方法包括以下步骤: (1)将MOFs加入到蒸馏水中，于50 80°C搅拌20 60min，其中蒸馏水与MOFs的质量比为50:1 200:1 ; (2)按照摩尔比1:2 4:2称取MnCl2 4H20和KMnO4,加入到50 80°C的热水中； (3)逐滴将所述步骤(2)中得到的溶液加入步骤(I)所得到的溶液中，50 80°C下搅拌I 2h，离心，过滤，并用去离子水洗涤，然后将过滤出的沉淀置于干燥箱中在70 150°C干燥8 10h，即得催化剂。
5.根据权利要求4所述的一种用于锂空气电池阴极的催化剂及制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的MnCl2 4H20用硫酸锰代替。
全文摘要
本发明公开了一种用于锂空气电池阴极的催化剂及制备方法，该催化剂包括纳米二氧化锰活性组分和金属有机骨架化合物(MOFs)载体，MOFs与纳米二氧化锰的摩尔比为51～30:1。通过水热法或氧化还原法将纳米二氧化锰沉积在MOFs材料表面，制备成催化剂，用于锂空气电池阴极，具有很好的催化活性，降低了电池的过电压，从而改善了锂空气电池的充放电效率。另外，催化剂的制备方法简单易行，无需采用复杂苛刻的反应条件，无污染。
文档编号H01M4/90GK103165912SQ201310063788
公开日2013年6月19日 申请日期2013年2月28日 优先权日2013年2月28日
发明者银凤翔, 陈标华, 李国儒 申请人:北京化工大学常州先进材料研究院