[发明专利]一种氧化锰/石墨烯催化剂的应用

说明书

技术领域

本发明涉及电极催化剂，具体的说是一种氧化锰/石墨烯催化剂的应用。

背景技术

空气电极在能量转换体系(如燃料电池和金属-空气电池)中扮有重要角色，其上的反应为氧还原反应。氧还原反应具有过程复杂、动力学缓慢等特点，这就降低了能量转换体系的效率。因此，能够使得氧的四电子还原在较低的过电位下发生的高性能催化剂的研制具有重要意义。铂(Pt)基材料是目前研究最多的氧还原反应催化剂，然而其成本高、资源稀缺，这就限制了其商业应用。

氧化锰对氧还原反应的催化作用，很早就已被人们所认识。成本低廉的优势，使得人们对其进行了大量研究，包括催化机理，形貌、晶型、掺杂元素等对催化性能的影响等。ZL01107488.4在电解二氧化锰中掺入锂、钴等金属元素，来提高其催化性能；ZL200410013631.3采用固相煅烧的方法制成了含有二氧化锰和铅氧化物的碳载空气电极催化剂；ZL20110065766.4制备了以MnO、Mn₂O₃和Mn₃O₄为活性主体，氧化钴或氧化镍为掺杂剂的空气电极用催化剂；ZL02133309.2制备了MnO₂-Mn₃O₄/Mn₂O₃空气电极催化剂。由上述说明氧化锰是一具有应用前景的空气电极催化剂。

自2004年Geim课题组发现石墨烯以来，石墨烯的应用一直备受关注。石墨烯由于具有高的比表面积和高的边缘缺陷，在电催化领域具有潜在的应用价值。石墨烯常被用作催化剂载体材料，应用于氧还原反应催化中。已有很多专利涉及石墨烯与贵金属的复合，如ZL201010149141.1和ZL201110177035.9分别公开了一种质子燃料电池用Pt/石墨烯催化剂的制备方法。ZL201110135866.X采用石墨烯与高锰酸钾反应的方法制备了石墨烯与氧化锰的复合材料，但没有对其氧还原反应催化性能进行表征。同时，还未有通过物理方法制备石墨烯与氧化锰复合物作为空气电极催化剂的报道。

发明内容

本发明目的在于提供一种氧化锰/石墨烯催化剂的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种氧化锰/石墨烯催化剂的应用，所述氧化锰/石墨烯催化剂用于空气电极中。所述氧化锰/石墨烯催化剂用于氧还原空气电极中。所述氧化锰/石墨烯催化剂用于燃料电池或金属-空气电池中。

所述氧化锰/石墨烯空气电极催化剂制备为：

(1)石墨烯膜的制备

取10-30μL的0.5～2mg mL^-1的石墨烯胶体溶液滴涂到工作电极表面，于室温置于氮气气氛下干燥，获得石墨烯膜；

(2)氧化锰/石墨烯空气电极催化剂的制备

取10-30μL的1～4mg mL^-1的氧化锰胶体溶液滴涂在步骤(1)制备的石墨烯膜上，于室温置于氮气气氛下干燥，获得氧化锰/石墨烯空气电极催化剂。

从催化性能的角度看，如果一种物质能够使得目标反应的电流增加或过电位减小，那么它就是一种有效的催化剂。本发明制备的催化剂，既能使得氧还原反应的过电位减小，又能使得峰电流增加，这说明，其催化效果优良。

本发明所具有的优点：

1.本发明采用物理滴涂的方法实现了石墨烯与氧化锰的复合，操作简单，且所获得的复合材料对氧还原反应具有良好的催化性能。

2.将本发明应用于氧还原反应中，既可使氧还原反应的半波电位明显右移，又可使电流显著增加，实现了石墨烯与氧化锰的优势互补。

3.将本发明应用于氧还原反应中，可使得氧的四电子还原在较低的过电位下发生。

4.将本发明应用于氧还原反应中，表现出良好的催化稳定性。

5.从制备方法来看，本发明采用物理滴涂方法进行制备，通过调控氧化锰的性能，很容易优化所制得的氧化锰/石墨烯的性能，而且操作简单、易于工业化生产。

6.从经济的角度来看，本发明制备的催化剂以石墨粉、高锰酸钾、硫酸锰等为原材料，这些原料成本低廉、来源广泛，使得催化剂的成本低，易于商业化推广。

附图说明

图1为本发明实施例提供的所制备的氧化锰的扫描电镜照片(其中A为低倍照片，B为高倍照片)。