[发明专利]α-MnO2氧还原催化剂及其制备方法及金属-空气电池

说明书

一种α‑MnO₂氧还原催化剂的制备方法，包括以下步骤：S1，按照摩尔比为1:1:1的一水合硫酸锰、碱金属硫酸盐以及过硫酸钾，溶于去离子水中形成均匀的水溶液；S2，在所述水溶液中加入盐酸溶液形成混合液，其中，所述盐酸溶液中HCl与一水合硫酸锰的摩尔比为4～6:1；S3，将所述混合液加热到120℃～160℃反应0.1～15小时；以及S4，自然冷却至室温后，将所得到的产物进行真空抽滤，并充分干燥，最终获得含有Mn³⁺/Mn⁴⁺离子的α‑MnO₂。本发明还提供一种通过上述方法获得的α‑MnO₂氧还原催化剂及金属‑空气电池。

技术领域

本发明涉及一种α-MnO₂氧还原催化剂及其制备方法及含该催化剂的金属-空气电池。

背景技术

在快速发展清洁和可再生能源转换/储存技术(包括燃料电池、金属/空气电池)方面，需要高效的氧还原(ORR)电催化剂。众所周知，贵金属铂及其合金被认为是最有效的商业ORR催化剂，然而，它们的高成本和稀缺性已经成为大规模商业应用的主要障碍。

近年来，各种非贵金属材料已被开发用作ORR催化剂，如各种碳材料、聚合物和过渡金属氧化物。其中，二氧化锰因其丰度高、成本低、催化活性高而受到越来越多的关注。据报道，在五种不同晶型的二氧化锰中，α-MnO₂表现出最优的氧还原电催化性能。

科学家们发现，在α-MnO₂中适当引进Mn³⁺，改变其中Mn⁴⁺与Mn³⁺的比值，能够对其对氧还原反应催化性能产生影响。这是由于Mn³⁺的σ*反键轨道上填充了一个电子而活性增大所致。还有研究发现，在一定程度上，α-MnO₂的电催化活性随着Mn³⁺/Mn⁴⁺比值增大而增大。

然而，现有技术中未能解决调控Mn³⁺/Mn⁴⁺比值的问题，也没有任何关于Mn³⁺/Mn⁴⁺比值的相关调控方法。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种能够解决Mn³⁺/Mn⁴⁺比值调控的α-MnO₂的制备方法。

一种α-MnO₂的制备方法，包括以下步骤：

S1，按照摩尔比为1:1:1的一水合硫酸锰、碱金属硫酸盐以及过硫酸钾，溶于去离子水中形成均匀的水溶液；

S2，在所述水溶液中加入盐酸溶液形成混合液，其中，所述盐酸溶液中HCl与一水合硫酸锰的摩尔比为4～6:1；

S3，将所述混合液加热到120℃～160℃反应0.1～15小时；以及

S4，自然冷却至室温后，将所得到的产物进行真空抽滤，并充分干燥，最终获得含有Mn³⁺/Mn⁴⁺离子的α-MnO₂。

作为进一步改进的，在步骤S1中，所述碱金属硫酸盐包括硫酸钾、硫酸钠或其混合物。

作为进一步改进的，在步骤S3中，将所述混合液加热到145℃～155℃反应0.1～1小时。

作为进一步改进的，在步骤S3中，将所述混合液加热到150℃反应0.5小时。

作为进一步改进的，在步骤S4中，所述将所得到的产物进行真空抽滤的步骤包括：将所得到的产物在砂芯抽滤装置上进行真空抽滤，其中，所使用的滤膜为孔径为0.15μm的水性纤维滤膜。