[发明专利]介孔碳纳米球负载氧化亚锰材料的合成方法

说明书

介孔碳纳米球负载氧化亚锰材料的合成方法，涉及纳米材料的制备技术领域。将水、盐酸溶液、苯胺和二氧化硅溶胶超声混合后再与过硫酸铵混合反应，得聚苯胺包二氧化硅，经与氢氧化钠水溶液混合反应，得介孔聚苯胺，再在超声条件下，将pH值为1‑2的介孔聚苯胺与高锰酸钾水溶液搅拌反应，得聚苯胺负载二氧化锰，经氮气保护下900℃煅烧，得介孔碳纳米球负载氧化亚锰材料，本发明方法简便，制备成本低廉，产品不仅具有良好的形貌特征，还具有高的氧还原催化活性，在催化等领域有着重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及纳米材料的制备技术领域。

背景技术

当今世界经济迅猛发展，科技不断更新换代，然而在这辉煌的成就背后是化石能源地快速消耗与环境污染的加重。近现代以来，电能被人们运用到了各行各业，成为人类生产生活不可缺少的一部分。而在中国，发电主要还是火力发电与水力发电。火力发电依靠的是化石能源的消耗。化石能源作为一次性不可再生能源储量有限，并且燃烧后产生的氮氧化物、硫氧化物会对环境造成不可估量的破坏。

燃料电池作为继火力、水力、核能之后的第四代发电技术，因为其具有能量转化效率高、污染少、原料丰富等优点，所以被给予了厚望。但是，铂基催化剂作为燃料电池的阴阳两极的电极催化剂，其成本高，是限制燃料电池继续被开发的原因之一；并且铂基催化剂用作阴极催化剂时，其稳定性差，容易聚集。锰氧化物因为其高的催化活性，较好的稳定性，环境友好且价格低廉等优点而受到广泛研究，将其应用于ORR电催化。但是，锰氧化物本身是半导体，导电性差，因而需要与掺杂碳材料复合，增加其导电性，而且掺杂的氮元素与锰氧化物之间的相互作用可以使催化剂的催化活性提高。除此之外，比表面积大的纳米级碳材料可以增加其吸附氧的量从而也提高了催化剂的催化性能，比表面积越大，吸附的氧越多，性能越好。

发明内容

本发明提出了一种介孔碳纳米球负载氧化锰催化材料的合成方法。

本发明包括以下步骤：

1）将水、盐酸溶液、苯胺和二氧化硅溶胶超声混合，取得混合液；

2）将混合液和过硫酸铵混合进行反应，得聚苯胺包二氧化硅（SiO₂@PANI）；

3）将聚苯胺包二氧化硅（SiO₂@PANI）与氢氧化钠水溶液混合反应，得介孔聚苯胺（MPNs）；

4）超声条件下，将介孔聚苯胺（MPNs）溶于超纯水中，调节pH值至1-2后，加入浓度为0.1 mol/L的高锰酸钾水溶液，搅拌反应，得聚苯胺负载二氧化锰(MnO₂@PANI）；

5）将聚苯胺负载二氧化锰(MnO₂@PANI）置于坩埚中，在氮气保护下经900 ℃煅烧，得介孔碳纳米球负载氧化亚锰材料（MnO@N-MCNs）。

本发明采用以上方法制备了粒径可控且具有高比表面，良好的催化活性和稳定性的MnO@N-MCNs介孔球材料。以SiO₂为牺牲硬模板，合成粒径均一的介孔球，随后再与KMnO₄反应，得到MnO₂@PANI。在N₂保护下，煅烧900 ℃形成MnO@N-MCNs介孔球材料。

将N-掺杂碳材料与MnO 材料复合不仅能够增加材料的活性位点数，更有效解决单一锰氧化物导电性差的问题，有效的提高了单一材料的催化活性。

本发明方法简便，制备成本低廉，产品不仅具有良好的形貌特征，还具有高的氧还原催化活性，在催化等领域有着重要的应用价值。

进一步地，本发明所述步骤1）中，所述混合的环境条件为0 ℃。在冰点条件下，苯胺单体不容易被氧化，所以要在低温下超声处理，超声是为了使SiO₂、苯胺均匀分散使得后续发生反应形成特定的形貌。