[0026] 所述高分散异质界面复合纳米线作为正极材料在可充电锌空电池中的应用。
[0027] 与现有的研究相比,本发明的创新之处在于:
[0028] (1)制备方法简单:本发明采用两步水热合成法,通过外延生长构筑了异质结构的MnCo2S4/MnSxO2-x,因此很容易进行商业化生产。
[0029] (2)结构独特:本发明的MnCo2S4/MnSxO2-x具有丰富的、均一分散的异质界面结构,该界面是催化性能的活性位中心。
[0030] (3)价格低廉:过渡金属元素地球上分布广泛,所用硫源为廉价硫前驱体。
[0031] (4)性能优异:产氧过程中使
电流密度达到50mA cm-2时,MnCo2S4/MnSxO2-x所需过电位为395mV,而商业IrO2(氧化铱)的为470mV,产氧性能优于商业IrO2。
附图说明
[0032] 图1(a)和(b)分别为
实施例1中MnCo2S4/MnSxO2-x不同
分辨率的扫描电镜(SEM)。
[0033] 图2(a)和(b)为实施例1中MnCo2S4/MnSxO2-x不同放大倍数的透射电镜(TEM),(c)为高倍透射电镜(HRTEM)。
[0034] 图3为实施例1中MnCo2S4/MnSxO2-x的X-射线粉末衍射(XRD)。
[0035] 图4为实施例1中MnCo2S4/MnSxO2-x材料X-射线光
电子衍射图谱(XPS)。
[0036] 图5分别是实施例1中MnCo2S4/MnSxO2-x以及IrO2在1mol L-1KOH溶液中的OER性能(a),相应的Tafel曲线(b)和
稳定性(c)等性能比较。
[0037] 图6为实施例1中MnCo2S4/MnSxO2-x在可充电锌空气电池中的性能,(a)为充放电曲线,(b)放电极化曲线和相应的功率密度。
具体实施方式
[0038] 下面结合实例和附图对本发明进一步说明,但本发明并不限于以下实施例。
[0039] 实施例1
[0040] (1)将1mmol高锰酸钾(KMnO4)和1mmol氯化铵(NH4Cl)溶解到60mL去离子水中,然后在160℃条件下反应24h,即可形成二氧化锰纳米线。
[0041] (2)将上述二氧化锰纳米线分散到100mL 2mM无水醋酸锰Mn(OAc)2和4mM四水醋酸钴(Co(OAc)2·4H2O)乙醇溶液中,超声20分钟后,80℃油浴搅拌4小时,离心分离。
[0042] (3)将(2)中的最终产物分散到40mL 75mM的硫代乙酰胺乙醇溶液中,在高压反应釜中140℃反应12小时,洗涤干燥后,即可得到最终的样品。
[0043] 性能结构分析
[0044] 图1(a)扫描电镜可以看出MnCo2S4/MnSxO2-x是纳米线状结构,(b)图表明在纳米线壁上附着有很多小颗粒,此外,纳米线的直径约为50nm。从低倍透射电镜图(2)a进一步证明纳米颗粒生长在纳米线壁上,图(2)b表明纳米线上有很多粒径较小颗粒,初步判断形成了异质结构。图(2)c能够清晰地看出MnCo2S4/MnSxO2-x有大量分布均一的异质界面结构,该界面结构上有大量的
缺陷、空位、边缘等电催化性能的活性位点,这是本发明最大的创新之处。
[0045] 图(3)表明MnCo2S4/MnSxO2-x存在有氧化锰和MnCo2S4的晶面衍射峰,说明该材料由两种物质组成,再结合图(2)c进一步证明了异质结构的存在。
[0046] 图4为MnCo2S4/MnSxO2-x的X-射线
光电子衍射(XPS)图谱,该表征揭露出材料的组成成分为Mn、Co、S、O元素,其中锰含量为13.79%、钴为12.52、硫为11.20%,说明氧化锰和钴酸锰中的部分氧已经被硫所取代,由此可以推断出该材料的异质界面处存在有大量的氧空位点。
[0047] 图5(a)为氧析出的极化曲线,负载有本实施例制备的催化剂具有比商业氧化铱更小的过电位,由图可知MnCo2S4/MnSxO2-x和IrO2在电流密度50mA cm-2的过电位分别为395mV和470mV。图(b)为相应的Tafel曲线,由图可知MnCo2S4/MnSxO2-x的Tafel斜率为78mV dec-1,而IrO2的为98mVdec-1,由此可知MnCo2S4/MnSxO2-x具有比商业IrO2更加优异的动
力学过程。图(c)表明MnCo2S4/MnSxO2-x和IrO2的稳定性表征,由图可知,MnCo2S4/MnSxO2-x保持了初始电流的91%,而IrO2仅为80%。
[0048] 图6(a)为锌空气电池的充放电曲线,从图可以看出MnCo2S4/MnSxO2-x的初始充放电电压间隙为0.82V,在10mA cm-2条件下充放电循环30h后MnCo2S4/MnSxO2-x的充放电电压间隙依然为0.84V。而IrO2的初始电压间隙分别为0.90V,经过30h持续循环充放电后其电压间隙分别增加为1.04V。证明MnCo2S4/MnSxO2-x应用到锌空气电池中具有更优异的稳定性。图(b)-2 -2表明MnCo2S4/MnSxO2-x的
能量密度为140mW cm ,IrO2的为125mW cm 。表明其作为可充锌空气电池正极具有比商业氧化铱更大的功率密度和更优异的充放电稳定性。
[0049] 实施例2
[0050] (1)将0.18mmol高锰酸钾(KMnO4)和1.8mmol氯化铵(NH4Cl)溶解到60mL去离子水中,然后在160℃条件下反应24h,即可形成二氧化锰纳米线。
[0051] (2)将上述二氧化锰纳米线分散到100mL 2mM无水醋酸锰Mn(OAc)2和4mM四水醋酸钴(Co(OAc)2·4H2O)乙醇溶液中,超声20分钟后,80℃油浴搅拌4小时,离心分离。
[0052] (3)将(2)中的最终产物分散到40mL 75mM的硫代乙酰胺乙醇溶液中,在高压反应釜中140℃反应12小时,洗涤干燥后,即可得到最终的样品。
[0053] 实施例3
[0054] (1)将1.8mmol高锰酸钾(KMnO4)和0.18mmol氯化铵(NH4Cl)溶解到60mL去离子水中,然后在160℃条件下反应24h,即可形成二氧化锰纳米线。
[0055] (2)将上述二氧化锰纳米线分散到100mL 2mM无水醋酸锰Mn(OAc)2和4mM四水醋酸钴(Co(OAc)2·4H2O)乙醇溶液中,超声20分钟后,80℃油浴搅拌4小时,离心分离。
[0056] (3)将(2)中的最终产物分散到40mL 75mM的硫代乙酰胺乙醇溶液中,在高压反应釜中140℃反应12小时,洗涤干燥后,即可得到最终的样品。
[0057] 实施例4
[0058] (1)将1mmol高锰酸钾(KMnO4)和1mmol氯化铵(NH4Cl)溶解到60mL去离子水中,然后在120℃条件下反应24h,即可形成二氧化锰纳米线。
[0059] (2)将上述二氧化锰纳米线分散到100mL 2mM无水醋酸锰Mn(OAc)2和4mM四水醋酸钴(Co(OAc)2·4H2O)乙醇溶液中,超声20分钟后,80℃油浴搅拌4小时,离心分离。
[0060] (3)将(2)中的最终产物分散到40mL 75mM的硫代乙酰胺乙醇溶液中,在高压反应釜中140℃反应12小时,洗涤干燥后,即可得到最终的样品。
[0061] 实施例5
[0062] (1)将1mmol高锰酸钾(KMnO4)和1mmol氯化铵(NH4Cl)溶解到60mL去离子水中,然后在180℃条件下反应24h,即可形成二氧化锰纳米线。
[0063] (2)将上述二氧化锰纳米线分散到100mL 2mM无水醋酸锰Mn(OAc)2和4mM四水醋酸钴(Co(OAc)2·4H2O)乙醇溶液中,超声20分钟后,80℃油浴搅拌4小时,离心分离。
[0064] (3)将(2)中的最终产物分散到40mL 75mM的硫代乙酰胺乙醇溶液中,在高压反应釜中140℃反应12小时,洗涤干燥后,即可得到最终的样品。
[0065] 实施例6
[0066] (1)将1mmol高锰酸钾(KMnO4)和1mmol氯化铵(NH4Cl)溶解到60mL去离子水中,然后在160℃条件下反应8h,即可形成二氧化锰纳米线。
[0067] (2)将上述二氧化锰纳米线分散到100mL 2mM无水醋酸锰Mn(OAc)2和4mM四水醋酸钴(Co(OAc)2·4H2O)乙醇溶液中,超声20分钟后,80℃油浴搅拌4小时,离心分离。
[0068] (3)将(2)中的最终产物分散到40mL 75mM的硫代乙酰胺乙醇溶液中,在高压反应釜中140℃反应12小时,洗涤干燥后,即可得到最终的样品。
[0069] 实施例7
[0070] (1)将1mmol高锰酸钾(KMnO4)和1mmol氯化铵(NH4Cl)溶解到60mL去离子水中,然后在160℃条件下反应48h,即可形成二氧化锰纳米线。
[0071] (2)将上述二氧化锰纳米线分散到100mL 2mM无水醋酸锰Mn(OAc)2和4mM四水醋酸钴(Co(OAc)2·4H2O)乙醇溶液中,超声20分钟后,80℃油浴搅拌4小时,离心分离。
[0072] (3)将(2)中的最终产物分散到40mL 75mM的硫代乙酰胺乙醇溶液中,在高压反应釜中140℃反应12小时,洗涤干燥后,即可得到最终的样品。
[0073] 实施例8
[0074] (1)将1mmol高锰酸钾(KMnO4)和1mmol氯化铵(NH4Cl)溶解到60mL去离子水中,然后在160℃条件下反应24h,即可形成二氧化锰纳米线。
[0075] (2)将上述二氧化锰纳米线分散到100mL 1mM无水醋酸锰Mn(OAc)2和3mM四水醋酸钴(Co(OAc)2·4H2O)乙醇溶液中,超声20分钟后,80℃油浴搅拌4小时,离心分离。
[0076] (3)将(2)中的最终产物分散到40mL 75mM的硫代乙酰胺乙醇溶液中,在高压反应釜中140℃反应12小时,洗涤干燥后,即可得到最终的样品。
[0077] 实施例9
[0078] (1)将1mmol高锰酸钾(KMnO4)和1mmol氯化铵(NH4Cl)溶解到60mL去离子水中,然后在160℃条件下反应24h,即可形成二氧化锰纳米线。
[0079] (2)将上述二氧化锰纳米线分散到100mL 3mM无水醋酸锰Mn(OAc)2和1mM四水醋酸钴(Co(OAc)2·4H2O)乙醇溶液中,超声20分钟后,80℃油浴搅拌4小时,离心分离。
[0080] (3)将(2)中的最终产物分散到40mL 75mM的硫代乙酰胺乙醇溶液中,在高压反应釜中140℃反应12小时,洗涤干燥后,即可得到最终的样品。
[0081] 实施例10
[0082] (1)将1mmol高锰酸钾(KMnO4)和1mmol氯化铵(NH4Cl)溶解到60mL去离子水中,然后在160℃条件下反应24h,即可形成二氧化锰纳米线。
[0083] (2)将上述二氧化锰纳米线分散到100mL 2mM无水醋酸锰Mn(OAc)2和4mM四水醋酸钴(Co(OAc)2·4H2O)乙醇溶液中,超声20分钟后,80℃油浴搅拌4小时,离心分离。
[0084] (3)将(2)中的最终产物分散到40mL 40mM的硫代乙酰胺乙醇溶液中,在高压反应釜中140℃反应12小时,洗涤干燥后,即可得到最终的样品。
[0085] 实施例11
[0086] (1)将1mmol高锰酸钾(KMnO4)和1mmol氯化铵(NH4Cl)溶解到60mL去离子水中,然后在160℃条件下反应24h,即可形成二氧化锰纳米线。
[0087] (2)将上述二氧化锰纳米线分散到100mL 2mM无水醋酸锰Mn(OAc)2和4mM四水醋酸钴(Co(OAc)2·4H2O)乙醇溶液中,超声20分钟后,80℃油浴搅拌4小时,离心分离。
[0088] (3)将(2)中的最终产物分散到40mL 100mM的硫代乙酰胺乙醇溶液中,在高压反应釜中140℃反应12小时,洗涤干燥后,即可得到最终的样品。
[0089] 实施例12
[0090] (1)将1mmol四水硫酸锰(MnSO4·4H2O)和1mmol过硫酸铵(NH4)2S2O8)溶解到60mL去离子水中,然后在160℃条件下反应24h,即可形成二氧化锰纳米线。
[0091] (2)将上述二氧化锰纳米线分散到100mL 2mM无水醋酸锰Mn(OAc)2和4mM四水醋酸钴(Co(OAc)2·4H2O)乙醇溶液中,超声20分钟后,80℃油浴搅拌4小时,离心分离。
[0092] (3)将(2)中的最终产物分散到40mL 100mM的硫代乙酰胺乙醇溶液中,在高压反应釜中140℃反应12小时,洗涤干燥后,即可得到最终的样品。
[0093] 实施例13
[0094] (1)将1mmol六水合硝酸锰(Mn(NO3)2·6H2O)和1mmol乙二胺溶解到60mL去离子水中,然后在160℃条件下反应24h,即可形成二氧化锰纳米线。
[0095] (2)将上述二氧化锰纳米线分散到100mL 2mM无水醋酸锰Mn(OAc)2和4mM四水醋酸钴(Co(OAc)2·4H2O)乙醇溶液中,超声20分钟后,80℃油浴搅拌4小时,离心分离。
[0096] (3)将(2)中的最终产物分散到40mL 100mM的硫代乙酰胺乙醇溶液中,在高压反应釜中140℃反应12小时,洗涤干燥后,即可得到最终的样品。
[0097] 实施例14
[0098] (1)将1mmol高锰酸钾(KMnO4)和1mmol氯化铵(NH4Cl)溶解到60mL去离子水中,然后在160℃条件下反应24h,即可形成二氧化锰纳米线。
[0099] (2)将上述二氧化锰纳米线分散到100mL 2mM无水醋酸锌(Zn(OAc)2)和4mM一水合醋酸铜(Cu(OAc)2·H2O)乙醇溶液中,超声20分钟后,80℃油浴搅拌4小时,离心分离后。
[0100] (3)将(2)中的最终产物分散到40mL 100mM的硫代乙酰胺乙醇溶液中,在高压反应釜中140℃反应12小时,洗涤干燥后,即可得到最终的样品。
[0101] 实施例15
[0102] (1)将1mmol高锰酸钾(KMnO4)和1mmol氯化铵(NH4Cl)溶解到60mL去离子水中,然后在160℃条件下反应24h,即可形成二氧化锰纳米线。
[0103] (2)将上述二氧化锰纳米线分散到100mL 2mM四水合醋酸镍(Ni(OAc)2·4H2O)和4mM四水合醋酸铁(Fe(OAc)2·4H2O)乙醇溶液中,超声20分钟后,80℃油浴搅拌4小时,离心分离后。
[0104] (3)将(2)中的最终产物分散到40mL 100mM的硫代乙酰胺乙醇溶液中,在高压反应釜中140℃反应12小时,洗涤干燥后,即可得到最终的样品。
[0105] 实施例16
[0106] (1)将1mmol高锰酸钾(KMnO4)和1mmol氯化铵(NH4Cl)溶解到60mL去离子水中,然后在160℃条件下反应24h,即可形成二氧化锰纳米线。
[0107] (2)将上述二氧化锰纳米线分散到100mL 3mM无水醋酸锰Mn(OAc)2和1mM四水醋酸钴(Co(OAc)2·4H2O)乙醇溶液中,超声20分钟后,80℃油浴搅拌4小时,离心分离。
[0108] (3)将(2)中的最终产物分散到40mL 75mM的硫粉乙醇溶液中,在高压反应釜中160℃反应12小时,洗涤干燥后,即可得到最终的样品。
[0109] 实施例17
[0110] (1)将1mmol高锰酸钾(KMnO4)和1mmol氯化铵(NH4Cl)溶解到60mL去离子水中,然后在160℃条件下反应24h,即可形成二氧化锰纳米线。
[0111] (2)将上述二氧化锰纳米线分散到100mL 3mM无水醋酸锰Mn(OAc)2和1mM四水醋酸钴(Co(OAc)2·4H2O)乙醇溶液中,超声20分钟后,80℃油浴搅拌4小时,离心分离。
[0112] (3)将(2)中的最终产物分散到40mL 75mM的半胱氨酸乙醇溶液中,在高压反应釜中160℃反应12小时,洗涤干燥后,即可得到最终的样品。
[0113] 实施例2~17所得MnCo2S4/MnSxO2-x的SEM图与实施例1类似。
[0114] 对比例1
[0115] 对比例1与实施例1的不同之处在于,步骤(3)中,含有硫源的溶液中的溶剂不为乙醇,而分别为水、甲醇,
甲苯和DMF等溶剂。
[0116] 对比例1反应完成后所得到的纳米线结构会分解或者样品不能被硫化。其原因是:当水用作溶剂时,在水热过程中,硫源与水会生成硫酸从而溶解纳米纳米线结构;甲醇性能和乙醇很相似,但是当用甲醇作溶剂时,由于甲醇分子量小,因此在高温条件下容易
气化,使得反应体系的压强增大,从而导致纳米线结构分解;甲苯和DMF为
非质子溶剂,硫源在这两种溶剂中不能分解出硫离子,所以最终形成不了MnCo2S4/MnSxO2-x。
[0117] 实施例1具有最佳的应用性能,其结构和性能最具代表性。在结构方面MnCo2S4/MnSxO2-x具有大量均匀分散的异质界面结构,该结构拥有的丰富的空位、边缘、缺陷等活性位点,当产氧过程中使电流密度达到50mA cm-2时,MnCo2S4/MnSxO2-x所需过电位为395mV,而商业IrO2的为470mV,因此其在电催化氧析出反应中表现出比商业OER催化剂更加优异的催化性能。对于可充锌空气电池而言,充电过程决定着电池的使用寿命,MnCo2S4/MnSxO2-x具有优良的OER稳定性,所以作为可充电锌空气电池正极材料,具有优良的充放电稳定性,循环30h后其充放电电压间隙仅仅增大0.02V,而且具有比商业氧化铱更大的功率密度。
[0118] 上述实施例为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。