一种氧析出催化剂的制备方法

1.本发明属于催化和纳米材料领域，具体涉及一种基于二氧化锰/镍铁双氢氧化物复合材料的高效氧析出(oer)催化剂制备方法及应用，该催化剂可广泛应用于二次金属-空气电池(例如锌-空气电池、铝-空气电池、镁-空气电池等)、燃料电池等领域。


背景技术：

2.社会的快速发展导致了能源需求的显著增加，传统的一次能源，包括化石燃料和少数电能源在各个方面得到广泛利用。传统能源是不可再生的，而且过度使用这些资源将带来一系列的环境问题。在能源短缺和环境污染的压力下，传统的化石燃料不可避免地逐渐被来自风能、太阳能等可再生能源的绿色清洁能源所取代。然而，这些可再生能源的间歇性性质极大地限制了它们的大规模应用。因此，在过去的几年中，高效能源存储和转换装置的发展受到了极大的关注。发展可持续的清洁能源储存与转换技术是实现低碳排放、促进全球经济稳定增长的重大挑战。在各种储能装置中，金属-空气电池因其理论能量密度高、无毒、低成本和环保而被认为是非常重要的储能装置。
3.然而，对于锌空气电池来说，其中空气电极的氧析出反应和氧还原反应过程都非常复杂。众所周知，反应动力学缓慢是由四个电子转移过程的两个催化反应引起的，这需要克服相当大的能量势垒。为了解决这些问题，研究人员投入了大量的精力来开发高性能的电催化剂。而目前严重依赖pt/c和ruo2系列的贵金属催化剂，不幸的是，此类催化剂元素储量低、生产成本高、长期循环稳定性差，这增加了锌空气电池的成本，严重阻碍了其商业化。因此，当务之急是设计具有低成本和长期循环稳定性的非贵金属基电催化剂。基于以上思路，本发明设计了一种新型的非贵金属复合材料作为锌空气电池中空气电极的氧析出催化剂。该复合材料由包覆镍铁双氢氧化物的二氧化锰构成，生产成本低，制备简单。


技术实现要素：

4.本发明基于以上研究问题提出了如下方案：
5.(1)取一定量的一水合硫酸锰溶于去离子水和无水乙醇中，得到溶液a。将碳酸氢铵溶于一定量的去离子水中，得到溶液b。将溶液b缓慢倒入溶液a中，搅拌两小时后离心干燥。
6.(2)将(1)所得样品置于马弗炉中煅烧，得到二氧化锰前驱体。
7.(3)将(2)所得的二氧化锰基体分散于去离子水中，加入六水合硝酸镍和硝酸铁混合搅拌一个小时，待其完全溶解后加入内衬为50毫升的反应釜中，在170℃下反应18小时。用去离子水和无水乙醇分别洗涤3次，在60℃的烘箱中干燥12小时。
8.第一步中，取1.05克一水合硫酸锰分散于100毫升去离子水和80毫升无水乙醇的混合溶液中。取4.75克碳酸氢铵溶于100毫升去离子水中。
9.第二步中，煅烧温度为400℃，升温速率为5℃/min。
10.第三步中，50毫克二氧化锰分散于30毫升去离子水中，加入1毫摩尔硝酸镍、0.5毫
摩尔硝酸铁和2.4毫摩尔六亚甲基四胺，转入50毫升的反应釜内100℃下反应18小时，冷却至室温后，分别用去离子水和无水乙醇洗涤三次，在60℃的烘箱中干燥12小时。
附图说明
11.图1为具体实施方式实例中制备的复合催化剂材料的x射线衍射图。
12.图2为具体实施方式实例中制备出的复合催化剂材料的透射电镜图像。
13.图3为具体实施方式实例中以制备的复合催化剂在0.1m的氢氧化钾碱性条件下测得的氧析出反应的极化曲线。
具体实施方式
14.下面将结合具体的实验方案对本发明专利做详细阐述，以便对本发明有更加深入的了解，结合下列具体实例但不仅局限于一个实验方案。
15.实施例
16.称取1.0504克一水合硫酸锰分散于100毫升去离子水和80毫升无水乙醇的混合溶液中。取4.75克碳酸氢铵溶于100毫升去离子水中。将两溶液混合后搅拌两小时，静置后用去离子水洗涤三次，无水乙醇洗涤一次，在80℃的烘箱中干燥12小时。干燥所得物质转移到马弗炉中以5℃/min的升温速度升温到400℃，保温5个小时之后自然冷却至室温。称取50毫克二氧化锰前驱体加入30毫升去离子水中，然后加入1毫摩尔硝酸镍、0.5毫摩尔硝酸铁和2.4毫摩尔六亚甲基四胺，搅拌一小时，待其完全溶解后加入反应釜中，100摄氏度反应18小时，洗涤干燥后即可得到最终催化剂材料。
17.称取2毫克二氧化锰/镍铁双氢氧化物复合催化剂材料、2毫克vxc-72碳材料，5微升nafion溶于200微升异丙醇中，超声30分钟，取10微升浆料滴涂在玻碳电极上，在室温下干燥12小时。
18.氧析出性能测试：
19.以二氧化锰/镍铁双氢氧化物复合催化剂材料进行性能测试，其特征在于：在进行氧析出性能分析时，电解液为0.1m的氢氧化钠溶液，测试前通氧气半个小时，保证溶液中氧气为饱和状态，玻碳电极以1600r/min的转速进行测试，扫描速度为5mv/s。测试数据显示，二氧化锰/镍铁双氢氧化物复合催化剂材料10ma cm-2
的电流密度下过电位仅有190mv。
20.如图1所示，制备的二氧化锰前驱体的x射线衍射图,与二氧化锰标准pdf卡片完全对应。
21.如图2所示，二氧化锰/镍铁双氢氧化物的透射电镜图像，由透射电镜图可以得出二氧化锰/氧化镍复合材料是核壳状
22.如图3所示，在碱性条件下测得的氧析出催化曲线，在电流密度为10ma/cm2时，过电位仅有190mv。


技术特征：
1.一种纳米二氧化锰/镍铁双氢氧化物复合催化剂材料的制备方法，其特征在于:通过共沉淀法和水热法制备。2.纳米二氧化锰/镍铁双氢氧化物复合催化剂材料其制备过程包括以下步骤:(1)取一定量的一水合硫酸锰溶于去离子水和无水乙醇中，得到溶液a。将碳酸氢铵溶于一定量的去离子水中，得到溶液b。将溶液b缓慢倒入溶液a中，搅拌两小时后离心干燥。(2)将(1)所得样品置于马弗炉中煅烧，得到二氧化锰前驱体。(3)将(2)所得的二氧化锰基体分散于去离子水中，加入六水合硝酸镍和硝酸铁混合搅拌一个小时，待其完全溶解后加入内衬为50毫升的反应釜中，在170℃下反应一段时间。用去离子水和无水乙醇分别洗涤3次，在60℃的烘箱中干燥12小时。3.如权利要求1所述该高效氧析出催化剂的组成为二氧化锰和镍铁双氢氧化物。4.如权利要求2所述通过共沉淀法和高温煅烧制得的二氧化锰前驱体为形状规则的球形。5.如权利要求2所述前驱体的煅烧温度为400℃。6.如权利要求2所述水热反应的保温时间为18小时。

技术总结
本发明涉及催化和纳米材料领域，可以应用到金属-空气电池(如锌-空气电池等)、燃料电池中。通过共沉淀法和简单的水热法合成，首先通过共沉淀法并且高温煅烧获得二氧化锰前驱体，然后加入六水合硝酸镍和九水合硝酸铁通过水热反应得到最终的催化剂：二氧化锰/镍铁双氢氧化物复合催化剂材料。该催化剂制备过程简单，所需的原料储量丰富且价格低廉。以其作为氧析出反应的催化剂表现出优异的性能。该催化剂在0.1M的碱性氢氧化钾溶液中进行氧析出性能测试，纳米二硫化钴/碳复合催化剂材料具有比贵金属催化剂更加小的过电位(190mV)。比贵金属催化剂更加小的过电位(190mV)。


技术研发人员：李光达 范文萍
受保护的技术使用者：齐鲁工业大学
技术研发日：2022.03.03
技术公布日：2022/6/28