[发明专利]一种改性碳纳米管掺杂氧化钴锰催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于生物能源材料领域，具体涉及改性碳纳米管掺杂氧化钴锰催化 剂的制备方法和应用。

背景技术

随着经济的发展，人类过度的开采资源，能源匮乏问题逐渐暴露。微生物 燃料电池(Microbialfuelcells，MFCs)是利用微生物作为生物催化剂降解底 质(有机物)，综合了环境生物化学、电化学等技术，实现了生物质化学能向 电能的转移。但是，关于MFCs的研究还处于实验室的研究阶段，如果想将此 技术应用于实际工程则仍然面临着许多挑战。阴极材料的性能是限制微生物燃 料电池产电效率的关键因素之一，今后对于微生物燃料电池性能的优化更多的 在阴极方面进行探究。

影响MFCs产电能力低的因素有很多，其中，阴极低效的氧还原性能(氧 还原热力学和动力学过程)限制了MFC性能。贵金属Pt作为一种贵金属被广 泛报道,该贵金属作为微生物燃料电池阴极催化材料可大幅度提高MFC阴极 的氧还原反应速率，降低MFC系统内阻大小，促使整个微生物燃料电池系统 的产电性能(电压输出、功率密度)提高。但是，Pt金属不仅成本高，而且 容易引起催化剂中毒现象。寻求一种高效的非贵金属材料取代Pt催化剂已经 成为微生物燃料电池的一个热点方向。

碳纳米管(CarbonNanotubes，CNTs)，该材料具有机械性能高、化学稳定 性强和导电性高，且具备高的比表面积等特点，可作为微生物乃至金属催化剂 的理想载体。但是，CNT之间的强的范德华力相互作用导致了CNT具有很强的 惰性，使其不溶于水及常用的有机溶剂，而且碳管容易相互缠绕团聚，这就给 进一步的应用带来了一定的困难。由于碳纳米管或者碳材料具备典型的化学惰 性，将会限制材料的氧还原能力。为了提高CNT的催化性能，学者集中关注于 掺杂碳材料、金属掺杂碳材料等的研究。研究发现碳纳米管材料作为催化剂时， 由于其催化活性较差，多将其作为催化剂的载体。若通过一定的手段进行碳材 料惰性能力的改善则可以增强阴极材料的氧还原性能。

过渡金属因其具有多种价态，在一定条件下可以实现价态之间的转移，所 以过渡金属往往具备潜在的ORR催化性能。有报道指出CoMn₂O₄因其潜在的 ORR性能而被用于超级电容器中，然而由于CoMn₂O₄的活性位点低、内阻大 以及比表面积小会限制其催化活性。

发明内容

为了改善CoMn₂O₄的催化活性，本发明目的之一是提供一种改性碳纳米 管掺杂氧化钴锰催化剂制备方法，通过碳纳米管掺杂CoMn₂O₄来强化催化剂 材料的ORR性能。

本发明的目的之二是提供上述催化剂的应用。

本发明的目的是通过以下技术步骤实现的：

一种改性碳纳米管掺杂氧化钴锰催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将碳纳米管(CNT)置于PDDA水溶液中超声分散，获得均一的 PDDA-CNT溶液；

(2)先将PDDA-CNT溶液分散于去离子水中，加入二甲基甲酰胺溶液并 超声分散；再将Co²⁺与Mn²⁺按摩尔比1：2～2.5溶入混合液中，缓慢搅拌0.5-1.0 小时，得到黑色沉淀CoMn₂O₄；

(3)用去离子水洗涤黑色沉淀，并将该沉淀物置入聚四氟乙烯高压反应 釜，于160～180℃下加热8-10h，最后将黑色沉淀物干燥即制得改性碳纳米管 掺杂氧化钴锰催化剂。

所述CoMn₂O₄与碳纳米管的质量比为(0.3～0.5)：1。

所述Co²⁺和Mn²⁺分别由Co(OAc)₂·6H₂O和Mn(OAc)₂·6H₂O提供。

步骤(1)所述PDDA水溶液的质量分数为1％，所述分散时间为0.5～1h； 步骤(2)所述超声分散时间为0.5～1h。

步骤(1)所述碳纳米管与PDDA水溶液的固液比为1:10～1:15(g/mL)， 所述PDDA水溶液的质量浓度为0.5～3.0％。