CN113087022A - 三维有序多孔结构锰酸镧的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三维有序多孔结构锰酸镧的制备方法和应用。制备方法包括如下步骤：步骤1、将硝酸镧和硝酸锰按照摩尔比1：1混合均匀，然后加入柠檬酸并且溶解在去离子水和无水乙醇中配制成溶液；步骤2、向步骤1的溶液中加入甲基丙烯酸甲酯单体和偶氮二异丁腈引发剂形成混合溶液；步骤3、将步骤2中的混合溶液水浴加热至70～90℃并搅拌聚合2～4h；步骤4、将所得到的聚合物移至晶化釜100～120℃晶化10～13h；步骤5、将步骤4所得样品在马弗炉中600～800℃下煅烧3～5h，得三维有序多孔结构锰酸镧。本发明的三维有序多孔结构锰酸镧的制备工艺简单，生产资源丰富，产物粒子形貌和孔尺寸可控。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域，具体地，涉及三维有序多孔结构锰酸镧的制备方法及应用。
背景技术
金属-空气电池具有比能量比功率高、内阻小、放电电压平稳、无毒无污染、使用寿命长、操作工艺简单、价格低廉等众多优点；另外还具有资源丰富、能够重复使用的特点，可以应用于插电式混合动力汽车、电动汽车和智能电网。其中铝空气电池具有最高的能量密度，且质量轻、绿色环保，是最有发展前景的电动汽车动力电池之一。
钙钛矿型氧化物因其具有良好的氧化还原能力、储放氧能力和抗烧结能力，在催化剂和催化剂载体方面得到了广泛应用。所研究的软模板制备钙钛矿氧化物存在着热稳定性较差的缺点，很难精确控制纳米多孔结构。目前可以采用双模板法来制备具有介孔孔壁的三维有序大孔锰酸镧，将其作为铝空气电池催化剂。采用以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球为硬模板，以L-赖氨酸或三嵌段共聚物P123为软模板，以聚乙二醇400为添加剂，以甲醇和水为溶剂，将含有以上软模板剂、添加剂、溶剂和可溶性金属盐的混合溶液浸渍PMMA硬模板后，采用两步焙烧法(即先在氮气气氛中焙烧，再在空气气氛中焙烧)制备拥有介孔孔壁的三维有序大孔结构钙钛矿型氧化物LaMnO3。该原料廉价易得，制备方法简单，催化性能好。其制备的单相钙钛矿型氧化物LaMnO3具有多孔结构的特点和较高的比表面积，在超导材料、光子晶体、催化剂、分离、电极等方面具有良好的应用前景。
然而，这些方法制备过程较为复杂，期待进一步的改进。
发明内容
本发明提供了一种三维有序多孔结构锰酸镧的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、将硝酸镧和硝酸锰按照摩尔比1：1混合均匀，然后加入柠檬酸并且溶解在去离子水和无水乙醇中配制成溶液；
步骤2、向步骤1的溶液中加入甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体和偶氮二异丁腈引发剂形成混合溶液；
步骤3、将步骤2中的混合溶液水浴加热至70～90℃并搅拌聚合2～4h；
步骤4、将所得到的聚合物移至晶化釜100～120℃晶化10～13h；
步骤5、将步骤4所得样品在马弗炉中600～800℃下煅烧3～5h，得三维有序多孔结构锰酸镧。
在上述三维有序多孔结构锰酸镧的制备方法中，硝酸镧、硝酸锰、柠檬酸、去离子水、乙醇、MMA以及偶氮二异丁腈分别为5mmol、5mmol、10mmol、5ml、15ml、2.41g、5ml。
在上述三维有序多孔结构锰酸镧的制备方法中，步骤1中的硝酸镧和硝酸锰为La(NO3)3·6H2O和Mn(NO3)2。
本发明还提供了制备方法制备得到的三维有序多孔结构锰酸镧的应用，将三维有序多孔结构锰酸镧与乙炔黑按质量比为6:4混合作为空气电极催化层，压制成长4cm，宽3cm的工作电极，以铝板为负极，电解液采用6mol/L的KOH溶液，在有机玻璃框架中组成铝-空气电池。
本发明的三维有序多孔结构锰酸镧的制备工艺简单，生产资源丰富，产物粒子形貌和孔尺寸可控。另外，本发明制备三维有序多孔结构锰酸镧的方法简单易操作，便于大规模生产，所生产的三维有序多孔结构锰酸镧可以扩大铝空气电极催化剂的选择，为开发新的金属-空气电池具有指导作用。
附图说明
图1是本发明实施例2制备得到的三维有序多孔结构锰酸镧XRD图；
图2是本发明实施例2制备得到的三维有序多孔结构锰酸镧扫描电镜图；
图3是本发明实施例2制备得到的三维有序多孔结构锰酸镧循环伏安曲线图；
图4是本发明实施例2制备得到的三维有序多孔结构锰酸镧线性扫描曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种铝空气电极催化剂材料三维有序多孔结构锰酸镧的制备方法。本发明的三维有序多孔结构锰酸镧的制备工艺简单，生产资源丰富，产物粒子形貌和孔尺寸可控。
提供了一种铝空气电极催化剂材料三维有序多孔结构锰酸镧的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、将硝酸镧和硝酸锰按照摩尔比1：1混合均匀，然后加入柠檬酸溶解在去离子水和无水乙醇中配制成溶液；其中，柠檬酸在制备锰酸镧前驱体时起到分散剂的作用，可使溶液中各离子均匀分布，反应彻底；另外，在前驱体煅烧过程中，柠檬酸分解被氧化可提供一定热量；
步骤2、再向步骤1的溶液中先后加入MMA单体和偶氮二异丁腈引发剂形成混合溶液；
步骤3、将步骤2中的混合溶液水浴加热至70～90℃并搅拌聚合2～4h；
步骤4、将所得到的聚合物移至晶化釜100～120℃晶化10～13h；
步骤5、步骤4所得样品在马弗炉中600～800℃下煅烧3～5h，以除去PMMA模板并获得三维有序多孔结构锰酸镧产品。
所述步骤1中硝酸镧、硝酸锰、柠檬酸、去离子水、乙醇、MMA以及偶氮二异丁腈分别为5mmol、5mmol、10mmol、5ml、15ml、2.41g、5ml。
所述步骤1中硝酸镧和硝酸锰为La(NO3)3·6H2O和Mn(NO3)2。
本发明制备三维有序多孔结构锰酸镧的方法简单易操作，便于大规模生产，所生产的三维有序多孔结构锰酸镧可以扩大铝空气电极催化剂的选择，为开发新的金属-空气电池具有指导作用。
实施例1
该空气电极催化剂材料三维有序多孔结构锰酸镧的制备方法，其具体步骤如下：
步骤1、将5mmol硝酸镧、5mmol硝酸锰、10mmol柠檬酸溶解在5ml去离子水和15ml乙醇中配制成溶液；
步骤2、向步骤1的溶液中加入2.41g的MMA和5ml偶氮二异丁腈引发剂形成混合溶液；
步骤3、将步骤2中的混合溶液水浴加热至70℃并搅拌聚合2h；
步骤4、将所得到的聚合物移至晶化釜100℃晶化10h；
步骤5、步骤4所得样品在马弗炉中600℃下煅烧3h，以除去PMMA模板并获得三维有序多孔结构锰酸镧产品。
实施例2
该空气电极催化剂材料三维有序多孔结构锰酸镧的制备方法，其具体步骤如下：
步骤1、将5mmol硝酸镧、5mmol硝酸锰、10mmol柠檬酸溶解在5ml去离子水和15ml乙醇中配制成溶液；
步骤2、再向步骤1的溶液中加入2.41g的MMA和5ml偶氮二异丁腈引发剂形成混合溶液；
步骤3、向步骤2中的混合溶液水浴加热至80℃并搅拌聚合3h；
步骤4、将所得到的聚合物移至晶化釜110℃晶化12h；
步骤5、步骤4所得样品在马弗炉中700℃下煅烧4h，以除去PMMA模板并获得三维有序多孔结构锰酸镧产品。该制备得到的三维有序多孔结构LaMnO3XRD图和扫描电镜图分别如图1和图2所示。从图1中可以看出，在23°，33°，41°，48°，59°，68°，78°附近出现特征衍射峰，与钙钛矿LaMnO3理论衍射峰的位置吻合。从图2中可以看出，所制备的LaMnO3具有三维有序多孔结构。
将玻碳电极用氧化铝粉末打磨至镜面，然后用蒸馏水和酒精超声洗涤干净，将制备的三维有序多孔结构LaMnO3加入酒精、去离子水溶液中，用0.1ml的5wt％Nafion作为粘合剂，超声使其均匀混合，将其滴加在玻碳电极上，待电极干燥后用。采用瑞士万通PGSTAT302N型电化学工作站对其进行循环伏安测试以及线性扫描测试，测试采用三电极测试***：对电极采用铂电极，参比电极采用饱和甘汞电极，工作电极采用负载三维有序多孔结构LaMnO3的玻碳电极，电解液为0.1mol/L的KOH溶液。循环伏安测试扫描电位窗口为-0.8V～0.2V，扫描速度为50mV·s-1。线性扫描测试扫描范围为-1V～0.2V，描速度为50mV·s-1，转速为1600rpm。本实施例制备得到的三维有序多孔结构LaMnO3循环伏安曲线图如图3所示，从图3中可以看出，还原峰出现在-0.2V到-0.4V之间，最大峰值电流密度均远远大于共沉淀法(共沉淀法LaMnO3制备：将La(NO3)2·6H2O和Mn(NO3)2以摩尔比1：1用蒸馏水溶解，逐滴滴加6mol/LNaOH溶液，形成沉淀，直至pH值达到10，结束滴加NaOH，然后搅拌至沉淀完全析出，再将混合溶液过滤，将沉淀用蒸馏水和无水乙醇洗涤至中性，于烘箱中干燥，再在马弗炉700℃焙烧3h获得锰酸镧样品。)所制备的锰酸镧。说明三维有序多孔结构LaMnO3具有较好的氧还原性能。本实施例制备得到的三维有序多孔结构LaMnO3线性扫描曲线图如图4所示，从图4中可以看出，极限电流密度已经远远超过共沉淀法锰酸镧，该结果进一步证实了三维有序多孔结构LaMnO3具有更优异的电催化活性。
实施例3
该空气电极催化剂材料三维有序多孔结构锰酸镧的制备方法，其具体步骤如下：
步骤1、将5mmol硝酸镧、5mmol硝酸锰、10mmol柠檬酸溶解在5ml去离子水和15ml乙醇中配制成溶液；
步骤2、再向步骤1的溶液中加入2.41g的MMA和5ml偶氮二异丁腈引发剂形成混合溶液；
步骤3、向步骤2中的混合溶液水浴加热至90℃并搅拌聚合4h；
步骤4、将所得到的聚合物移至晶化釜120℃晶化13h；
步骤5、步骤4所得样品在马弗炉中800℃下煅烧5h，以除去PMMA模板并获得三维有序多孔结构锰酸镧产品。
本领域技术人员应理解，以上实施例仅是示例性实施例，在不背离本申请的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。
Claims (4)
1.一种三维有序多孔结构锰酸镧的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将硝酸镧和硝酸锰按照摩尔比1：1混合均匀，然后加入柠檬酸并且溶解在去离子水和无水乙醇中配制成溶液；
步骤2、向步骤1的溶液中加入甲基丙烯酸甲酯单体和偶氮二异丁腈引发剂形成混合溶液；
步骤3、将步骤2中的混合溶液水浴加热至70～90℃并搅拌聚合2～4h；
步骤4、将所得到的聚合物移至晶化釜100～120℃晶化10～13h；
步骤5、将步骤4所得样品在马弗炉中600～800℃下煅烧3～5h，得三维有序多孔结构锰酸镧。
2.根据权利要求1所述的三维有序多孔结构锰酸镧的制备方法，其特征在于，硝酸镧、硝酸锰、柠檬酸、去离子水、乙醇、甲基丙烯酸甲酯以及偶氮二异丁腈分别为5mmol、5mmol、10mmol、5ml、15ml、2.41g、5ml。
3.根据权利要求1所述的三维有序多孔结构锰酸镧的制备方法，其特征在于，步骤1中的硝酸镧和硝酸锰为La(NO3)3·6H2O和Mn(NO3)2。
4.一种根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法制备得到的三维有序多孔结构锰酸镧的应用，其特征在于，将三维有序多孔结构锰酸镧与乙炔黑按质量比为6:4混合作为空气电极催化层，压制成长4cm，宽3cm的工作电极，以铝板为负极，电解液采用6mol/L的KOH溶液，在有机玻璃框架中组成铝-空气电池。
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