[发明专利]一种高效稳定碳载型MnO@C复合阳极材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种高效稳定碳载型MnO@C复合阳极材料的制备方法及其应用，是以商业碳毡为基底，采用溶剂热法使锰的配合物分子通过自组装在碳毡表面原位形成Mn‑MOF前驱体，再在惰性气氛下通过高温热处理得到碳载型MnO@C复合材料。常温常压下，单室三电极体系中，将本发明制备的碳载型MnO@C复合材料作为阳极，Nasubgt;2/subgt;SOsubgt;4/subgt;为电解质，空气中的氧气为氧化剂，1.0V(v.SEC)外电压下，可使240mL浓度为50mg·Lsupgt;‑1/supgt;的三氯生在120min内完全矿化并且阳极材料的循环稳定性良好。

技术领域

本发明涉及一种高效稳定碳载型MnO@C复合阳极材料的制备方法及其应用，具体的说是以负载在碳毡表面的Mn-MOF为前驱体，通过高温热处理得到碳载型MnO@C复合材料，在较低的外电场作用下可促使碳毡表面负载的MnO和骨架碳协同催化空气氧化降解水体中的有机污染物。

背景技术

金属有机骨架材料(MOFs)是由无机组分(金属离子或金属簇)与有机组分(有机或有机金属配合物)组装而成的一类新型有机无机杂化纳米多孔材料，因其结构的多样性和可调性而得到了广泛的关注。MOF前驱体材料常被作为牺牲模板剂，通过在惰性气氛下热解来制备各种纳米多孔金属或金属氧化物@碳复合材料。由于MOF材料周期性的杂化结构，使得其中的金属元素在热解过程中可以产生高质量的纳米粒子并均匀分散在多孔碳骨架中。同时，MOF前驱体在热处理后得到的复合材料孔隙率和比表面积均较大，有利于活性位点与反应物接触，加快有机物与催化剂之间的电子传递并降低催化过程中的传质限制。

尽管MOF基复合材料具有诸多上述优点，但目前应用较多的MOF基复合材料还是以粉体颗粒形式居多，这使得其在诸如电化学催化方面的应用受到一定的限制，其原因主要在于粉体颗粒之间的不连续性阻碍了互相之间的电子传递和碳骨架表面官能团催化作用的发挥。

发明内容

本发明旨在提供一种高效稳定碳载型MnO@C复合阳极材料的制备方法及其应用。

本发明首先以商业碳毡为基底，采用溶剂热法使锰的配合物分子通过自组装在碳毡表面原位形成Mn-MOF前驱体，再在惰性气氛下通过高温热处理得到碳载型MnO@C复合材料。在较低的外电场作用下，可有效促进碳毡表面的MnO和碳骨架协同催化空气氧化降解水体中的有机污染物。

本发明高效稳定碳载型MnO@C复合阳极材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：以N,N-二甲基甲酰胺、乙醇和水为混合溶剂，将一定量的氯化锰和均苯三甲酸加入所述混合溶剂中溶解形成无色透明溶液；将得到的透明溶液转移至高压反应釜的聚四氟乙烯内胆中，同时放入预处理碳毡并使其完全浸没在溶液中，封闭高压反应釜后置于鼓风干燥箱内进行溶剂热反应，得到碳载型锰MOF复合材料(Mn-MOF/GF)；

步骤2：将得到的Mn-MOF/GF复合材料于60℃下干燥24h后置于管式炉内，氮气保护下热处理一定时间后得到碳载型MnO@C复合材料。

步骤1中，所述混合溶剂中N,N-二甲基甲酰胺、乙醇和水的体积比为10：1～4：1～4。

步骤1中，所述预处理碳毡是将商业PAN基碳毡置于含无水乙醇溶液的高压反应釜内，120℃下预处理12h后得到。进一步地，预处理碳毡的质量为混合溶剂质量的1.2％。

步骤1中，氯化锰为四水合氯化锰，其添加质量为碳毡质量的50～150％；氯化锰和均苯三甲酸的摩尔比为1～3：1。

步骤1中，溶剂热反应的反应温度为120～180℃，反应时间为12～24h。

步骤2中，热处理的优化温度为700～900℃，时间为0.5～4h。

本发明高效稳定碳载型MnO@C复合阳极材料的应用，是用于催化空气氧化降解水体中的有机污染物。

所述有机污染物包括三氯生等。