一种负载银的锰基金属氧化物催化剂及其制备方法与应用

本发明属于电化学相关，更具体地，涉及一种负载银的锰基金属氧化物催化剂及其制备方法与应用。

背景技术：

1、能源危机和环境问题日益严峻，迫使我们探索可再生、环境友好的能源转换和存储技术。其中，酸性电解水制氢具有理论电流密度大、气体纯度高的特点，被认为是最具吸引力的可持续技术之一。酸性溶液水电解制氢阳极侧的反应是析氧反应(oer)，即水在阳极侧裂解产生氧气。目前，基于ir和ru的贵金属催化剂材料显示出良好的酸性水溶液氧析出电化学性能，但其高昂的价格和稀缺性限制了其广泛应用。因此，人们致力于设计低成本、高活性和长期稳定性的非贵金属酸性水溶液氧析出催化剂。

2、锰基金属氧化物催化剂因其低成本、低毒性和丰富的mn价态变化而具有较为广阔的应用前景。当前，大多数锰基金属氧化物催化剂研究的是对于四价的二氧化锰进行优化。然而，在酸性环境下，大多数锰基氧化物的性能与贵金属催化剂存在较大的差距。在10ma/cm2的电流密度下需要1.7v～2.0v的电解电压，难以实现有效催化。并且，由于酸性腐蚀以及锰离子的歧化反应，锰基金属氧化物催化剂在实际工况下运行50小时就会发生明显失活，造成实际的电解水制氢成本过大。因此，为了提升酸性电解水制氢的电解效率和降低操作成本，需要开发高性能，低过电位的锰基氧化物酸性水溶液氧析出催化剂。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种负载银的锰基金属氧化物催化剂及其制备方法与应用，其通过将银颗粒负载在一氧化锰纳米棒上，促进二价mn离子在氧析出过程中原位转变为高活性的三价mn离子，并抑制mn离子在酸性溶液中的溶解过程。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种负载银的锰基金属氧化物催化剂，所述催化剂包括锰基金属氧化物负载的银颗粒纳米棒，所述银颗粒纳米棒中ag的原子含量大于零且小于等于14.7％。

3、进一步地，所述银颗粒纳米棒的长度为0.5μm～5μm，宽度为10nm～800nm。

4、本发明还提供了一种如上所述的负载银的锰基金属氧化物催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：将高锰酸钾、一水合硫酸锰和硝酸银溶解在去离子水中混合得到混合溶液，并将所述混合溶液在100℃～200℃加热10小时～14小时，洗涤后得到所述催化剂。

5、进一步地，所述混合溶液中高锰酸钾的浓度为0.05mol/l～0.5mol/l。

6、进一步地，所述混合溶液中一水合硫酸锰的浓度为0.01mol/l～0.1mol/l。

7、进一步地，所述混合溶液中硝酸银的浓度为0.002mol/l～0.05mol/l。

8、进一步地，将混合溶液在160℃条件下加热12小时，原位生成所述催化剂。

9、本发明还提供了一种如上所述的负载银的锰基金属氧化物催化剂在酸性水溶液电解中的应用。

10、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的负载银的锰基金属氧化物催化剂及其制备方法与应用主要具有以下有益效果：

11、1.本发明提供的催化剂可以在氧析出过程中促进二价mn离子在低电位下原位转变为高活性的三价mn离子，并且由于ag的负载可以大幅降低三价mn离子发生气化反应而造成酸性溶液中mn的溶解，从而使其作为酸性水溶液氧析出电催化剂具有更好的催化活性和稳定性。

12、2.本发明提供的催化剂微观结构是具有较大比表面积的纳米棒，该微观结构可以暴露出更多的活性位点并且能够作为离子的传输通道，该催化剂作为水分解电催化剂具有优异的催化性能。

13、3.本发明所提供的催化剂的成分和表面电子结构可以通过控制前驱体投料比进行调控，由此可以实现对本发明中ag的原子含量进行精确控制，从而有助于得到具有高性能的非贵金属催化剂。

14、4.本发明所提供的催化剂作为酸性水溶液氧析出电催化剂具有更好的催化活性和稳定性，其在酸性水溶液中进行氧析出反应具有优异的催化活性，在电流密度为10ma/cm2时，其电压低于1.42v，在电流密度为50ma/cm2时，其电压低于1.60v，远低于目前已有的非贵金属催化剂所需电解电压。

15、5.将本发明提供的一氧化锰负载的银颗粒纳米棒催化剂和商用pt/c催化剂(pt的质量分数为20％)作为质子交换膜电解槽中阳极和阴极时，由于阳极处一氧化锰负载的银颗粒纳米棒催化剂具有大比表面积、丰富的活性位点和mn原子的价态原位转变，因此具有优异的催化活性，其在电流密度为10ma/cm2时，质子交换膜电解槽的电解电压小于1.5v，并可稳定运行160小时以上，优于现有大多数催化剂。

技术特征：

1.一种负载银的锰基金属氧化物催化剂，其特征在于：

2.如权利要求1所述的负载银的锰基金属氧化物催化剂，其特征在于：所述银颗粒纳米棒的长度为0.5μm～5μm，宽度为10nm～800nm。

3.一种权利要求1-2任一项所述的负载银的锰基金属氧化物催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：将高锰酸钾、一水合硫酸锰和硝酸银溶解在去离子水中混合得到混合溶液，并将所述混合溶液在100℃～200℃加热10小时～14小时，洗涤后得到所述催化剂。

4.如权利要求3所述的负载银的锰基金属氧化物催化剂的制备方法，其特征在于：所述混合溶液中高锰酸钾的浓度为0.05mol/l～0.5mol/l。

5.如权利要求3所述的负载银的锰基金属氧化物催化剂的制备方，其特征在于：所述混合溶液中一水合硫酸锰的浓度为0.01mol/l～0.1mol/l。

6.如权利要求3所述的负载银的锰基金属氧化物催化剂的制备方，其特征在于：所述混合溶液中硝酸银的浓度为0.002mol/l～0.05mol/l。

7.如权利要求3所述的负载银的锰基金属氧化物催化剂的制备方，其特征在于：将混合溶液在160℃条件下加热12小时，原位生成所述催化剂。

8.一种权利要求1-2任一项所述的负载银的锰基金属氧化物催化剂在酸性水溶液电解中的应用。

技术总结
本发明属于电化学相关技术领域，其公开了一种负载银的锰基金属氧化物催化剂及其制备方法与应用，所述催化剂包括锰基金属氧化物负载的银颗粒纳米棒，所述银颗粒纳米棒中Ag的原子含量大于零且小于等于14.7％。本发明通过将银颗粒负载在一氧化锰纳米棒上，促进二价Mn离子在氧析出过程中原位转变为高活性的三价Mn离子，并抑制Mn离子在酸性溶液中的溶解过程。

技术研发人员：王谭源,刘健云,李箐
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15