[发明专利]基于钯单原子的二氧化锰-碳纳米管复合催化剂及其制备

说明书

本发明公开了一种基于钯单原子的二氧化锰‑碳纳米管复合催化剂，该催化剂中，二氧化锰与碳纳米管相互缠绕形成三维纳米结构，钯以单原子的形式负载于二氧化锰和碳纳米管的表面。本发明还公开了上述催化剂的制备方法及其在可充放电金属空气电池中的应用。本发明以MnO₂为基材，通过添加适量的碳纳米管，两种材料相互缠绕形成三维纳米结构，并在二氧化锰和碳纳米管上负载钯单原子，提升了催化剂的导电率、催化活性和稳定性。

技术领域

本发明涉及金属空气电池领域，特别是涉及一种基于钯单原子的二氧化锰-碳纳米管复合催化剂，该催化剂的制备方法及其在可充放电锌空气电池中的应用。

背景技术

随着可再生能源的快速增长，绿色电能的有效利用、转换引起了广泛的关注。锌空气电池由于其高理论能量密度、放电电压平稳、使用寿命长、制备简易、环境友好以及低电池制造成本等优点，成为大规模储能的理想候选技术之一。

可充放电锌空气电池的循环充放电需要电催化剂反复催化氧还原反应和析氧反应。因此，提高可充放电锌空气电池的效率(U放电/U充电)和循环圈数的关键问题在于开发具有高活性和稳定性的双功能催化剂。贵金属铂、钯和银等是公认的高效电催化剂，但受限于其有限的地球储量、昂贵以及稳定性差的缺点。因此，开发含有微量贵金属或者非贵金属双功能电催化剂成为了当前研究的热点。研究发现，低配位金属原子，表面自由能高，催化活性强。纳米颗粒仅表面部分具有催化作用，难达到原子利用率最大化。而单原子催化剂能极大地提高催化剂的比活性，降低生产成本，实现工业化大规模生产。

目前锌空气电池普遍使用二氧化锰作为空气电极的催化剂，但存在催化活性低以及稳定性差的缺点。为了提升催化活性和稳定性，其中一种方法是提高半导体二氧化锰的电导率以及活性位数量。例如，申请号为201510264206.X的中国发明专利申请披露了一种“用于锌空气电池的纳米复合空气电极催化剂及其制备方法”，该方法以二氧化锰为基材添加辅助材料(如碳纳米管、铂、钯或银等)，制备纳米复合催化剂。但该方法制备的复合催化剂中，银以颗粒形式负载于载体表面，银原子利用效率低，催化剂的质量活性低。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一是提供一种基于钯单原子的二氧化锰-碳纳米管复合催化剂，它不仅价格低廉，而且催化活性强、稳定性好、电导率和质量活性高。

为解决上述技术问题，本发明的基于钯单原子的二氧化锰-碳纳米管复合催化剂中，二氧化锰与碳纳米管相互缠绕形成三维纳米结构，钯以单原子的形式负载于二氧化锰和碳纳米管的表面。

所述二氧化锰和碳纳米管的质量比优选为0.1～1:1。

本发明要解决的技术问题之二是提供上述基于钯单原子的二氧化锰-碳纳米管复合催化剂的制备方法，该方法包括：

将碳纳米管分散于水中，得到碳纳米管悬浊液的步骤；

在水中加入硫酸锰、硫酸铵、过硫酸铵和硝酸钯，得到混合溶液的步骤；

将碳纳米管悬浊液和所述混合溶液均匀混合后，进行水热反应，获得基于钯单原子的二氧化锰-碳纳米管复合催化剂的步骤。

其中，硝酸钯与水的质量比优选为0.5～5:1000，过硫酸铵与水的质量比优选为0.6～6:100，碳纳米管与水质量比优选为0.1～0.6:100。

所述水热反应的温度优选为100～300℃，反应时间优选为5～24h。

本发明要解决的技术问题之三是提供上述基于钯单原子的二氧化锰-碳纳米管复合催化剂在可充放电金属空气电池中的应用。

与现有催化剂相比，本发明的基于钯单原子的二氧化锰-碳纳米管复合催化剂，具有以下优点和有益效果：