CN102773114A - 石墨纳米薄片上负载氮化物的方法及其用途 - Google Patents

石墨纳米薄片上负载氮化物的方法及其用途 Download PDF

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Abstract

石墨纳米薄片上负载氮化物的方法及其用途，它涉及一种负载氮化物的方法及其用途。本发明为解决现有氮化物材料尺寸大，易团聚，生产成本高等技术问题。本方法如下：一、制备膨胀石墨；二、将钨、钼、钒源与表面活性剂溶解于溶剂中，制备分散体系；三、将该分散体系在真空压力辅助下，注入膨胀石墨层间；四、蒸干溶剂；五、将步骤四得到产物置于坩埚中，采用高温脉冲微波技术加热，得到氧化物/石墨纳米薄片复合体；六、将氧化物/石墨纳米薄片置于管式炉内，通入氮化气氛，得到氮化物/石墨纳米薄片复合体。本发明方法简单、反应条件温和，所得氮化物粒径小，并在石墨片层表面和层间分布均匀。担载贵金属后可用于低铂燃料电池。

Description

石墨纳米薄片上负载氮化物的方法及其用途
技术领域
本发明涉及一种在石墨纳米薄片上负载氮化物的方法及其用途。
背景技术
燃料电池是一种高效、环境友好型能量转化装置。铂系贵金属是燃料电池典型的催化剂，但由于价格昂贵，资源稀少，制约了燃料电池的商业化进程。此外，铂系贵金属阴极O2还原电催化反应动力学缓慢；阳极电氧化反应易在催化剂表面发生CO中毒，导致催化剂活性和使用寿命的降低。
过渡金属氮化钨(钼、钒)具有和铂系贵金属类似的催化特性、良好的导电性、电化学稳定性和抗CO中毒特性，是一种新型催化剂载体，有利于提高贵金属催化剂阴、阳极的反应活性和稳定性。然而过渡金属氮化物高温易团聚、尺寸大，很难制备高分散、小尺寸的纳米级氮化物，且生产成本高，不利于宏量生产与应用。膨胀石墨具有比表面积大、孔隙率高、价格便宜等优点，通过真空压力辅助的办法，将钨、钼或者钒源引入膨胀石墨层间，进而制得石墨片基复合材料。由于二维石墨片层独特的电子和结构特性，可有效地抑制纳米粒子迁移和团聚，从而可控制备小尺寸、高分散的氮化物纳米材料。
发明内容
本发明为了解决现有氮化物材料粒子尺寸大，易团聚，生产成本高的技术问题，提供了一种石墨纳米薄片上负载氮化物的方法。
石墨纳米薄片上负载氮化物的方法按以下步骤进行：
步骤一、按重量份数称取0.3～6份的钨源、钼源或钒源、1份的可膨胀石墨、0.05～0.6份的表面活性剂和50～100份的溶剂；
步骤二、将可膨胀石墨放入高温炉中，持续通入N2或者Ar气作为保护气体，然后升温至700℃～1100℃，热处理1min～10min，再冷却至室温，得到膨胀石墨；
步骤三、将步骤一称取的钨源、钼源或钒源和表面活性剂溶于步骤一量取的溶剂中，在超声功率为100W的条件下超声15min，得到混合均匀的前驱体；
步骤四、将步骤二制得的膨胀石墨放入真空抽滤装置中，在真空度为0～-0.05MPa的条件下将步骤三制得的前驱体以3ml/min～5ml/min的滴速注入膨胀石墨中，滴加完成后，在超声功率为100W的条件下超声10min，在转速400r/min～2200r/min、温度为60℃～120℃条件下搅拌30min～24h蒸干溶剂，得到反应前躯体；
步骤五、将步骤四得到的反应前躯体置于坩埚中，在输出功率2000W、频率300MHz～300GHz、波长100cm～0.1cm的高温可控脉冲微波炉内设定脉冲开时间为5s～30s，脉冲关闭时间5s～30s，循环操作5～15次，得到氧化物/石墨纳米薄片复合体；
步骤六、将氧化物/石墨纳米薄片复合体置于管式炉内，以110ml～180ml/min的速度通入氮化处理的气体，以5℃/min的升温速度从室温升到400℃～700℃，再以1℃/min的升温速度从400℃～700℃升温到650℃～900℃，然后恒温1h～3h，得到氮化物/石墨纳米薄片复合体；
步骤一中所述的钨源是(NH4)6H2W12O40、(NH4)6W7O24、WCl6、Mo(CO)6、H2W6O19、H3PW12O40、H4W10O32、(NH4)6W7O24、Na2WO4、Na2W6O19、Na3PW12O40、Na4W10O32、K2W6O19、K3PW12O40或K4W10O32；
步骤一中所述的钼源是(NH4)2Mo2O7、(NH4)2Mo4O13、(NH4)6Mo7O24、(NH4)4Mo8O26、Mo(CO)6、H3P4Mo12O40、MoCl5或H2MoO4；
步骤一中所述的钒源是NH4VO3、V(CO)6、vCl4、VCl3、VCl2或H3VO4；
步骤一中所述的溶剂是水、乙醇、乙二醇或二甲基甲酰胺；
步骤一中所述的表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇、柠檬酸铵、聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯、聚乙烯醇、十六烷基二甲基苄基溴化铵、十六醇聚氧乙烯醚基二甲基辛烷基氯化铵、十二醇聚氧乙烯醚基二甲基甲基氯化铵；
步骤六中所述的氮化处理的气体是NH3或者H2和N2的混合气体，H2和N2的混合气体中H2与N2摩尔比为5∶1。
所述负载氮化物的石墨纳米薄片用于负载Pt或Pd纳米粒子，应用于燃料电池阴极或阳极电催化反应，其性能优越于传统炭黑载体。
本发明具有以下优点：
1、本发明制备的氮化物/石墨纳米薄片复合体中氮化物粒子尺寸小(10纳米左右)，分散均匀。这是由于一方面，膨胀石墨独特的二维石墨片层结构对粒子具有强的锚和作用，抑制其团聚和生长；另一方面是由于氧化物/石墨纳米薄片前驱体的制备是在高温可控脉冲微波炉内进行的，这种交替微波加热过程对抑制纳米晶粒生长也起到关键作用。
2、本发明制备的氮化物/石墨纳米薄片复合体不仅具有能辅助贵金属催化的活性物种(氮化物)，还有导电性能优异的石墨纳米片，是一种双功能的电催化剂载体。贵金属在该载体上分布均匀，粒径为2-3纳米，表现出优异的催化活性和稳定性，具有潜在的商业应用价值。
3.、本发明方法简单、反应条件温和，具有成本低、易于工业化生产的特点。
附图说明
图1是实验一得到的氮化钨/石墨纳米薄片的XRD照片，图中★表示石墨，▲表示氮化钨；
图2是实验一得到的氮化钨/石墨纳米薄片的扫描电镜照片；
图3是氮化钨/石墨纳米薄片用于负载P铂纳米粒子，应用于甲醇燃料电池阳极电催化反应循环伏安曲线，图中A表示铂-氮化钨/石墨纳米薄片，B表示商业铂/碳黑催化剂。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式中石墨纳米薄片上负载氮化物的方法按以下步骤进行：
一、按重量份数称取0.3～6份的钨源、钼源或钒源、1份的可膨胀石墨、0.05～0.6份的表面活性剂和50～100份的溶剂；
二、将可膨胀石墨放入高温炉中，持续通入N2或者Ar气作为保护气体，然后升温至700℃～1100℃，热处理1min～10min，再冷却至室温，得到膨胀石墨；
三、将步骤一称取的钨源、钼源或钒源和表面活性剂溶于步骤一量取的溶剂中，在超声功率为100W的条件下超声15min，得到混合均匀的前驱体；
四、将步骤二制得的膨胀石墨放入真空抽滤装置中，在真空度为0～-0.05MPa的条件下将步骤三制得的前驱体以3ml/min～5ml/min的滴速注入膨胀石墨中，滴加完成后，在超声功率为100W的条件下超声10min，在转速400r/min～2200r/min、温度为60℃～120℃条件下搅拌30min～24h蒸干溶剂，得到反应前躯体；
五、将步骤四得到的反应前躯体置于坩埚中，在输出功率2000W、频率300MHz～300GHz、波长100cm～0.1cm的高温可控脉冲微波炉内设定脉冲开时间为5s～30s，脉冲关闭时间5s～30s，循环操作5～15次，得到氧化物/石墨纳米薄片复合体；
六、将氧化物/石墨纳米薄片复合体置于管式炉内，以110ml～180ml/min的速度通入氮化处理的气体，以5℃/min的升温速度从室温升到400℃～700℃，再以1℃/min的升温速度从400℃～700℃升温到650℃～900℃，然后恒温1h～3h，得到氮化物/石墨纳米薄片复合体；
步骤一中所述的钨源是(NH4)6H2W12O40、(NH4)6W7O24、WCl6、Mo(CO)6、H2W6O19、H3PW12O40、H4W10O32、(NH4)6W7O24、Na2WO4、Na2W6O19、Na3PW12O40、Na4W10O32、K2W6O19、K3PW12O40或K4W10O32；
步骤一中所述的钼源是(NH4)2Mo2O7、(NH4)2Mo4O13、(NH4)6Mo7O24、(NH4)4Mo8O26、Mo(CO)6、H3P4Mo12O40、MoCl5或H2MoO4；
步骤一中所述的钒源是NH4VO3、V(CO)6、vCl4、VCl3、VCl2或H3VO4；
步骤一中所述的溶剂是水、乙醇、乙二醇或二甲基甲酰胺；
步骤一中所述的表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇、柠檬酸铵、聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯、聚乙烯醇、十六烷基二甲基苄基溴化铵、十六醇聚氧乙烯醚基二甲基辛烷基氯化铵、十二醇聚氧乙烯醚基二甲基甲基氯化铵
步骤六中所述的氮化处理的气体是NH3或者H2和N2的混合气体，H2和N2的混合气体中H2与N2摩尔比为5∶1。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中按重量份数称取3份的钨源、钼源或钒源、1份的可膨胀石墨、0.3份的表面活性剂和60份的溶剂。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二中升温至800℃～1000℃，热处理3min～8min。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤二中在900℃热处理5min。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤四中在真空度为-0.03MPa的条件下将步骤三制得的前驱体以4ml/min的滴速注入膨胀石墨中。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤四中在转速1600r/min条件下搅拌5h蒸干溶剂。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤四中在温度为100℃条件下搅拌蒸干溶剂。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤五中脉冲开时间为12s，脉冲关时间为12s，脉冲次数为10次。其它与具体实施方式一到七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤六中以150ml/min的速度通入氮化处理的气体。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式中负载氮化物的石墨纳米薄片用于担载Pt或Pd纳米粒子，应用于燃料电池阴极或阳极电催化反应。采用下述实验验证本发明的效果：
实验一：
石墨纳米薄片上负载氮化物的方法按以下步骤进行：
步骤一、按重量份数称取4.4份的(NH4)6H2W12O40、1份的可膨胀石墨、0.2份的十六烷基三甲基溴化铵和50份的蒸馏水；
步骤二、将可膨胀石墨放入高温炉中，持续通入N2或者A r气作为保护气体，然后升温至1000℃，热处理5min，再冷却至室温，得到膨胀石墨；
步骤三、将步骤一称取的(NH4)6H2W12O40和十六烷基三甲基溴化铵溶于步骤一量取的蒸馏水中，在超声功率为100W的条件下超声15min，得到混合均匀的前驱体；
步骤四、将步骤二制得的膨胀石墨放入真空抽滤装置中，在真空度为-0.03MPa的条件下将步骤三制得的前驱体以4ml/min的滴速注入膨胀石墨中，滴加完成后，在超声功率为100W的条件下超声10min，在转速1600r/min、温度为100℃条件下搅拌5h，蒸干溶剂，得到反应前躯体；
步骤五、将步骤四得到的反应前躯体置于坩埚中，在输出功率2000W、频率300MHz、波长100cm的高温可控脉冲微波炉内设定脉冲开时间为12s，脉冲关闭时间12s，循环操作10次，得到氧化钨/石墨纳米薄片复合体；
步骤六、将氧化钨/石墨纳米薄片复合体置于管式炉内，以180ml/min的速度通入氮化处理的气体，以5℃/min的升温速度从室温升到700℃，再以1℃/min的升温速度从700℃升温到900℃，然后恒温3h，得到氮化钨/石墨纳米薄片复合体。
实验二：
在负载氮化物的石墨纳米薄片上担载Pt纳米粒子按以下步骤进行：
量取20.8ml H2PtCl6溶液(浓度为2mmol/L)，用质量浓度为20％～40％的NaOH溶液调节pH值为8-9。称取氮化钨/石墨纳米薄片复合体100mg，加入上述H2PtCl6溶液，超声5-10min使膨胀石墨均匀分散于H2PtCl6溶液。然后称取39mg Na2BH4，溶解于20ml水中，在室温1600r/min转速下，将Na2BH4溶液以5ml/min速度滴入膨胀石墨与H2PtCl6的分散体系中，搅拌2h后静止放置12h。离心，用蒸馏水、乙醇清洗，在60-80℃真空条件下干燥8-12h，得到铂-氮化钨/石墨纳米薄片电催化剂。

Claims (10)

1.石墨纳米薄片上负载氮化物的方法，其特征在于石墨纳米薄片上负载氮化物的方法按以下步骤进行：
步骤一、按重量份数称取0.3～6份的钨源、钼源或钒源、1份的可膨胀石墨、0.05～0.6份的表面活性剂和50～100份的溶剂；
步骤二、将可膨胀石墨放入高温炉中，持续通入N2或者Ar气作为保护气体，然后升温至700℃～1100℃，热处理1min～10min，再冷却至室温，得到膨胀石墨；
步骤三、将步骤一称取的钨源、钼源或钒源和表面活性剂溶于步骤一量取的溶剂中，在超声功率为100W的条件下超声15min，得到混合均匀的前驱体；
步骤四、将步骤二制得的膨胀石墨放入真空抽滤装置中，在真空度为0～-0.05MPa的条件下将步骤三制得的前驱体以3ml/min～5ml/min的滴速注入膨胀石墨中，滴加完成后，在超声功率为100W的条件下超声10min，在转速400r/min～2200r/min、温度为60℃～120℃条件下搅拌30min～24h蒸干溶剂，得到反应前躯体；
步骤五、将步骤四得到的反应前躯体置于坩埚中，在输出功率2000W、频率300MHz～300GHz、波长100cm～0.1cm的高温可控脉冲微波炉内设定脉冲开时间为5s～30s，脉冲关闭时间5s～30s，循环操作5～15次，得到氧化物/石墨纳米薄片复合体；
步骤六、将氧化物/石墨纳米薄片复合体置于管式炉内，以110ml～180ml/min的速度通入氮化处理的气体，以5℃/min的升温速度从室温升到400℃～700℃，再以1℃/min的升温速度从400℃～700℃升温到650℃～900℃，然后恒温1h～3h，得到氮化物/石墨纳米薄片复合体；
步骤一中所述的钨源是(NH4)6H2W12O40、(NH4)6W7O24、WCl6、Mo(CO)6、H2W6O19、H3PW12O40、H4W10O32、(NH4)6W7O24、Na2WO4、Na2W6O19、Na3PW12O40、Na4W10O32、K2W6O19、K3PW12O40或K4W10O32；
步骤一中所述的钼源是(NH4)2Mo2O7、(NH4)2Mo4O13、(NH4)6Mo7O24、(NH4)4Mo8O26、Mo(CO)6、H3P4Mo12O40、MoCl5或H2MoO4；
步骤一中所述的钒源是NH4VO3、V(CO)6、VCl4、VCl3、VCl2或H3VO4；
步骤一中所述的溶剂是水、乙醇、乙二醇或二甲基甲酰胺；
步骤一中所述的表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇、柠檬酸铵、聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯、聚乙烯醇、十六烷基二甲基苄基溴化铵、十六醇聚氧乙烯醚基二甲基辛烷基氯化铵、十二醇聚氧乙烯醚基二甲基甲基氯化铵； 
步骤六中所述的氮化处理的气体是NH3或者H2和N2的混合气体，H2和N2的混合气体中H2与N2摩尔比为5∶1。
2.根据权利要求1所述石墨纳米薄片上负载氮化物的方法，其特征在于步骤一中按重量份数称取3份的钨源、钼源或钒源、1份的可膨胀石墨、0.3份的表面活性剂和60份的溶剂。
3.根据权利要求1所述石墨纳米薄片上负载氮化物的方法，其特征在于步骤二中升温至800℃～1000℃，热处理3min～8min。
4.根据权利要求1所述石墨纳米薄片上负载氮化物的方法，其特征在于步骤二中在900℃热处理5min。
5.根据权利要求1所述石墨纳米薄片上负载氮化物的方法，其特征在于步骤四中在真空度为-0.03MPa的条件下将步骤三制得的前驱体以4ml/min的滴速注入膨胀石墨中。
6.根据权利要求1所述石墨纳米薄片上负载氮化物的方法，其特征在于步骤四中在转速1600r/min条件下搅拌5h蒸干溶剂。
7.根据权利要求1所述石墨纳米薄片上负载氮化物的方法，其特征在于步骤四中在温度为100℃条件下搅拌蒸干溶剂。
8.根据权利要求1所述石墨纳米薄片上负载氮化物的方法，其特征在于步骤五中所述脉冲开时间为12s，脉冲关时间为12s，脉冲次数为10次。
9.根据权利要求1所述石墨纳米薄片上负载氮化物的方法，其特征在于步骤六中以150ml/min的速度通入氮化处理的气体。
10.权利要求1所述负载氮化物的石墨纳米薄片的用途，其特征在于所述负载氮化物的石墨纳米薄片用于担载Pt或Pd纳米粒子，应用于燃料电池阴极或阳极电催化反应。 
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