[发明专利]一种CoMn2O4@PAni催化剂及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种CoMn₂O₄@PAni催化剂及其制备和应用,具体的说是一种聚苯胺(PAni)包覆在CoMn₂O₄外面的核壳型电催化剂，该催化剂中CoMn₂O₄占整个催化剂的质量含量为30％～90％。与CoMn₂O₄电催化剂相比，该催化剂具有较高活性及稳定性；与现有制备方法相比，该方法具有绿色环保、简便、易于实施、生产成本低；以及制备过程中形貌可控等优点。

技术领域

本发明属于催化剂及其制备技术领域，具体的说涉及一种用于碱性阴离子交换膜燃料电池、金属空气燃料电池以及其它碱性条件下的氧还原催化剂及其制备和应用。

背景技术

燃料电池因其具有的能量密度高、环境友好等特点而受到各国研究者的高度重视，已成为国际上研究的热点。碱性阴离子交换膜燃料电池与质子交换膜燃料电池相比，具有电极反应动力学速率较快、腐蚀作用较小等优势，所使用的催化剂可以从更广泛的非贵金属材料中选择。金属空气燃料电池储存寿命长、燃料供应方便，氧电极也可采用非贵金属氧还原催化剂。

近年来，由于含钴、锰的一元或二元过渡金属氧化物在碱性介质中具有较高活性和稳定性，引起了研究人员的广泛关注。过渡金属氧化物中过渡金属的价态丰富、可调变性高。研究表明，用聚苯胺等导电高分子与催化剂进行复合可以显著提升其稳定性。Chen等人以过硫酸铵为氧化剂，设计制备了聚苯胺包覆的Pt/C核壳催化剂，即Pt/C@PANI，相对于Pt/C催化剂，其ORR催化活性和稳定性都更高(J.Am.Chem.Soc.2012,134,13252-13255)。然而目前制备过渡金属氧化物/导电高分子复合物的时间较长，往往需要在低温下处理24小时以上，能耗大；制备的形貌不均匀，缺乏对厚度等因素的调控手段。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种应用于碱性阴离子交换膜燃料电池、金属空气燃料电池以及其它碱性条件下的氧还原催化剂及其制备和应用。

为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：

一种CoMn₂O₄@PAni电催化剂，以CoMn₂O₄粒子为核，PAni为壳，PAni均匀的包覆在CoMn₂O₄外表面，其中CoMn₂O₄的粒径为200～500nm；PAni壳层的厚度为10～300nm；PAni为聚苯胺。

CoMn₂O₄的粒径的直径优选为200～300nm；PAni壳层的厚度优选为10～40nm。

所述核壳结构CoMn₂O₄@PAni电催化剂具有较高活性及稳定性，其核层对ORR具有较好的催化活性，多孔的PAni壳层则能够提高催化剂的稳定性，减少了过渡金属离子在氧化还原过程中发生溶解及金属氧化物发生团聚的可能，同时PAni具有一定的导电性，也提升了催化剂的活性。其中若CoMn₂O₄的粒径过大，则分散性差、电化学反应催化效果不好，过小，则极易完全溶解于酸溶液中，难以形成包结构；壳层过厚，则不利于CoMn₂O₄核层起催化作用；壳层过薄，则起不到提高催化剂稳定性的作用。

所述电催化剂中PAni的质量含量为10％～70％；优为10％～30％；最优为10～20％。

所述CoMn₂O₄@PAni电催化剂的制备方法，包括以下制备步骤，