[發明專利]一種缺陷型P3錳氧化物電催化材料及電催化劑

在審

• 申請號: 202010429114.3
• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN111640955A
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發明（設計）人: 馬吉偉;鐘雪鵬;黃云輝
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;B01J23/34;B01J35/10
• 代理公司: 上海德昭知識產權代理有限公司 31204
• 代理人: 郁旦蓉

本發明提供了一種缺陷型P3錳氧化物電催化材料及電催化劑，屬于無機材料領域。本發明提供的缺陷型P3錳氧化物電催化材料及電催化劑化學式為：本發明提供的電催化劑由與碳粉研磨混合制成。本發明不僅制備方法簡單高效，反應條件溫和，易于推廣應用，還可以為電解液與催化劑的接觸提供更大的活性表面積和更多的活性位點，可以有效提高該催化劑的氧還原活性，還可以提高層狀結構的穩定性，防止在循環過程中層狀結構被破壞。同時酸刻蝕過程中產生的氧空位可以協同催化，提升材料的氧還原性能。

技術領域

本發明涉及一種缺陷型P3錳氧化物電催化材料及電催化劑，屬于無機材料領域。

背景技術

隨著化石能源危機的加劇和生態環境的惡化，人類對清潔能源儲存系統的需求日益增長，新型能量轉換和儲存系統的開發與應用是社會持續健康地發展面臨的重要挑戰。燃料電池是一種清潔高效的氫能發電方式，不受卡諾循環的限制，能量轉換效率高，可以將化學能直接轉換成電能。金屬空氣電池具有高的理論能量密度，具有很大的發展潛力。這兩類具有廣闊發展前景的電池陰極均會發生氧還原反應。

氧還原反應是在陰極表面氧氣還原為氫氧根(堿性介質)或者水(酸性介質)的電化學過程。氧還原反應在各種能量存儲和轉換技術中起著關鍵作用。該過程反應動力學遲緩，反應過程復雜。目前該類陰極氧還原催化劑主要為鉑類貴金屬催化劑。然而，鉑儲量稀缺，價格高昂，易中毒等特點嚴重制約了燃料電池和金屬空氣電池等的大規模應用。因此，開發高活性，高穩定性，低成本非貴金屬陰極催化劑的研究對電化學催化領域至關重要。

錳氧化物因其元素豐度高、對環境的影響小、成本低等優點而受到科研人員的廣泛關注。在二氧化錳的多種晶體結構中，層狀二氧化錳由于其獨特的層狀結構為氧還原反應提供了高效的傳輸途徑而被廣泛的進行研究。與貴金屬催化劑相比，錳氧化物具有有限的電子電導率和較低的氧還原活性，主要體現在過電位與催化四電子還原的能力方面。許多用于提高錳氧化物電催化活性的方法被提出，諸如控制錳氧化物的納米結構，多步合成增加活性位點等，雖然這些方法是有效的，但需要復雜的合成步驟或者在空氣中缺乏長期穩定性。因此需要開發簡便的方法來提高錳氧化物的氧還原活性。

我們通過利用結構轉變來構筑高性能的缺陷型P3錳氧化物，與前驅體相比，結構轉變后的電催化材料表現出更好的電化學性能。然而在電催化領域，這種在通過結構轉變來穩定材料結構以及改變其本征催化活性的方法鮮有報道。

發明內容

本發明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種簡單、高效且普適性好的氧缺陷型電催化材料及含有該電催化材料的電催化劑。

本發明提供了一種缺陷型P3錳氧化物電催化材料，具有這樣的特征，化學式如下：H_1.0(H_0.13Li_0.17□_0.03Mn_0.67)O_1.89□_0.11，□代表原子缺陷，(簡寫為：HLM)。

在本發明提供的缺陷型P3錳氧化物電催化材料中，還可以具有這樣的特征，制備方法包括如下步驟：步驟1，將氫氧化鋰和碳酸錳攪拌混合后置于馬弗爐中在400℃-500℃下反應36h-48h，得層狀錳酸鋰；步驟2，將層狀錳酸鋰分散在濃度為2M-3M的硫酸溶液中，室溫下攪拌6h-24h，洗滌，干燥，即得H_1.0(H_0.13Li_0.17□_0.03Mn_0.67)O_1.89□_0.11。

在本發明提供的缺陷型P3錳氧化物電催化材料中，還可以具有這樣的特征，其中，氫氧化鋰與碳酸錳的摩爾比為(1.8-2.5):1，優選為2.05:1。

在本發明提供的缺陷型P3錳氧化物電催化材料中，還可以具有這樣的特征，其中，步驟1中在馬弗爐中燒結用氣體為空氣。