專利名稱：空氣電極催化劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)領(lǐng)域的燃料電池、金屬—空氣電池。
直接以電解MnO2和碳黑的混合物為催化劑的空氣電極因其混合均勻性差，導(dǎo)致所制備的空氣電極性能不佳；通過(guò)加熱分解均勻分布、吸附于碳載體上的硝酸錳來(lái)制取MnO2，因MnO2催化劑在碳載體上分散均勻性好，使所制備的空氣電極性能得到改善，但空氣電極隨電流密度增大輸出工作電壓下降較快的問(wèn)題仍然沒(méi)有解決。
中國(guó)專利CN1312595A公開(kāi)了一種“鋅—空氣電池空氣電極的催化劑”，其目的是為了提高鋅空氣電池的輸出工作電壓，它以電解MnO2為前驅(qū)物，通過(guò)溶膠凝膠法及高溫煅燒合成具有尖晶石型晶型結(jié)構(gòu)的金屬氧化物空氣電極催化劑LiMn2-xCOxO4。溶膠凝膠法的缺點(diǎn)是耗水量大，干燥過(guò)程長(zhǎng)、能耗高，體積龐大的溶膠、凝膠中僅含有極少量的目的產(chǎn)品，加之該催化劑使用了價(jià)格昂貴的Li、Co元素，用該方法制備的催化劑價(jià)格昂貴。
本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案達(dá)到一種空氣電極催化劑，它含有5.4-6.2％的主催化劑MnO2，0.1-14％的輔助催化劑Mn3O4或者M(jìn)n2O3和79.8-94.5％催化劑載體碳黑、或乙炔黑、或比例為1∶1的碳黑、乙炔黑。
該空氣電極催化劑的制備方法是先用95％或者無(wú)水乙醇浸潤(rùn)催化劑載體，室溫下邊攪拌邊滴加硝酸錳水溶液，同時(shí)加入Mn3O4或Mn2O3粉末，充分混合均勻得一糊狀物，在100-110℃溫度下烘干，研磨團(tuán)結(jié)物使成粉狀，最后在250℃-400℃溫度下焙燒，時(shí)間為1-3小時(shí)，溫度越低，分解時(shí)間越長(zhǎng)，應(yīng)使硝酸錳完全分解。制作中應(yīng)注意輔助催化劑的添加順序，輔助催化劑Mn3O4或Mn2O3粉末必須在硝酸錳熱分解之前加入到載體碳粉中。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)(1)較大電流密度下，能輸出較大工作電壓。如表1所示，電流密度為80mA/cm2時(shí)，以本發(fā)明制備的空氣電極為正極的“鋅-空氣電池”電壓比傳統(tǒng)方法制備的空氣電極為正極的“鋅-空氣電池”高出110-250mV，且隨電流密度增大，工作電位下降的速度在本發(fā)明催化劑制備的空氣電極上得以延緩。
(2)以本發(fā)明的催化劑與中國(guó)專利CN1312595A公開(kāi)的催化劑相比，所用原材料資源廣泛、價(jià)格低廉、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高。
表1本發(fā)明與傳統(tǒng)催化劑制備的空氣電極的比較
*C代表催化劑載體碳
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1將一定量的碳黑、或乙炔黑、或它們的混合物用乙醇浸潤(rùn)，室溫下，邊攪拌邊滴加硝酸錳水溶液，并加入市售的Mn3O4粉末，混合均勻成糊狀物。在100℃-110℃溫度下烘干，輕輕研磨團(tuán)結(jié)物成粉末，再在340℃煅燒1.5小時(shí)，使硝酸錳完全分解，自然冷卻至室溫。
將所得催化劑按照傳統(tǒng)方法制成空氣電極，以此為正極、鋅片為負(fù)極，7克分子/升KOH為電解質(zhì)溶液，構(gòu)成鋅-空氣電池，室溫下測(cè)得由不同組分與含量空氣電極所構(gòu)成的鋅-空氣電池的電壓與電流密度曲線如

圖1和圖2所示。從圖1可知，輔助催化劑Mn3O4含量不同時(shí)，鋅-空氣電池的伏安特性各異，其中曲線c是催化劑為最佳組分與含量時(shí)的伏安特性。從圖2可知，輔助催化劑Mn3O4只有在硝酸錳熱分解之前加入到催化劑載體中，才能有效的提高空氣電極的催化活性。
實(shí)施例2以Mn2O3代替實(shí)施例1中的Mn3O4，采用和實(shí)施例1相同的制備方法，制備出空氣電極，并與實(shí)施例1一樣組成鋅-空氣電池，測(cè)得由不同組分與含量空氣電極所構(gòu)成的鋅-空氣電池的電壓與電流密度曲線如圖3所示。其中曲線h是該催化劑為最佳組分與含量時(shí)的伏安特性。
權(quán)利要求
1.一種空氣電極催化劑，其特征是含有5.4-6.2％的主催化劑MnO2，0.1-14％的輔助催化劑Mn3O4或者M(jìn)n2O3和79.8-94.5％催化劑載體碳黑、或乙炔黑、或比例為1∶1的碳黑、乙炔黑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣電極催化劑，以Mn3O4為輔助催化劑時(shí)，其特征是最佳的組分含量為5.5％的MnO2，12.3％的Mn3O4，82.2％的碳黑、或乙炔黑、或比例為1∶1的碳黑、乙炔黑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣電極催化劑，以Mn2O3為輔助催化劑時(shí)，其特征是最佳的組分含量為6.1％的MnO2，2.7％的Mn2O3，91.2％的碳黑、或乙炔黑、或比例為1∶1的碳黑、乙炔黑。
4.一種空氣電極催化劑的制備方法，其特征在于先用95％或者無(wú)水乙醇浸潤(rùn)催化劑載體，室溫下邊攪拌邊滴加硝酸錳水溶液，同時(shí)加入Mn3O4或Mn2O3粉末，充分混合均勻得一糊狀物，在100-110℃溫度下烘干，研磨團(tuán)結(jié)物使成粉狀，最后在250℃-400℃溫度下焙燒，時(shí)間為1-3小時(shí)，溫度越低，分解時(shí)間越長(zhǎng)，應(yīng)使硝酸錳完全分解。
5.如權(quán)利要求4所述的空氣電極催化劑的制備方法，其特征在硝酸錳最佳的熱分解溫度為340℃，時(shí)間為1.5小時(shí)。
全文摘要
一種空氣電極催化劑，它由錳的復(fù)合氧化物MnO
文檔編號(hào)H01M4/50GK1396308SQ02133309
公開(kāi)日2003年2月12日 申請(qǐng)日期2002年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月17日
發(fā)明者魏子棟, 朱偉 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)