CN103495430A

CN103495430A - 一种磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN103495430A
Application number: CN201310485468.XA
Authority: CN
Inventors: 苟兴龙; 李容
Original assignee: China West Normal University
Current assignee: China West Normal University
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2014-01-08

Abstract

本发明涉及一种催化剂，特别涉及一种磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂及其制备方法和应用。本磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂包括氧化石墨烯基质，和掺杂或附着于氧化石墨烯基质表面及内部的活性磷元素。本掺杂石墨烯氧还原电催化剂的制备方法包括以下步骤，步骤1）氧化石墨烯制备、步骤2）氧化石墨烯与含磷前驱体混合、步骤3）干燥、步骤4）热解。本磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂是一种优良的氧还原电催化剂，其催化活性高，能够抗甲醇和一氧化碳中毒，稳定性好，可用于燃料电池和金属空气电池的电催化剂，也可以作为电极活性材料用于锂离子电池、钠离子电池、锂-硫电池、超级电容器等电化学能量储存与转换装置，还可以用于电化学/生物传感器等领域。

Description

一种磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种催化剂，特别涉及一种磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂及其制备方法和应用。该磷掺杂的石墨烯纳米材料在燃料电池、金属-空气电池、锂离子电池、钠离子电池、超级电容器、电化学生物传感器等相关领域有广泛的应用前景。

背景技术

能源危机与环境污染是21世纪人类社会面临的重大挑战。为了推动经济社会的可持续发展，研发清洁高效的新能源技术和先进材料已成为十分紧迫的任务。燃料电池是一种新型绿色能源储存与转换装置，具有能量密度高、能量转换效率高和零排放等优点。但是，氧气在燃料电池阴极上的电化学还原过程非常缓慢，需要高性能的氧还原催化剂。目前，碳载铂或铂基合金是活性最高的氧还原电催化剂。但是，这类催化剂价格昂贵、稳定性差，易受一氧化碳和/或甲醇的毒化，失去催化活性，从而导致燃料电池生产和使用成本高、稳定性差，制约了燃料电池的商业化。因此，研发催化活性高、成本低、稳定性好、抗一氧化碳和甲醇中毒的氧还原催化剂来替代铂是当前燃料电池等新能源技术和新材料领域非常活跃的课题。目前，文献报道了一些非贵金属、氧化物、硫化物、聚合物、不含金属的碳纳米材料等可以作为氧还原电催化剂。其中，杂原子掺杂（如氮、磷、硼、硫、碘等）的碳纳米材料（如介孔碳、碳纳米管、石墨烯、碳凝胶等）不仅具有较好的催化活性，而且成本低、稳定性好，引起了研究者的广泛关注。

现有技术资料中有关磷掺杂碳材料电催化剂的制备方法主要有两种。方法一以甲苯为碳源，三苯基膦为磷源，采用高温气相沉积方法制备磷掺杂的石墨。在制备过程中，首先在石英管中持续通入氩气（600mL min^-1），加热到1000℃后，将10mL三苯基膦的甲苯溶液（三苯基膦的浓度为2.5wt%）以2mLh^-1的速度注入石英管热区附近发生气化。高速流动的氩气将气化的甲苯和三苯基膦带入高温区发生热解反应，并在低温区沉积出磷掺杂的石墨。该制备过程所用原料甲苯有毒，易导致环境污染，而且由此法所制备的磷掺杂石墨比表面积小（<4m²g^-1），磷含量低（仅为0.26at%），作为氧还原电催化剂时，其催化活性位点少，催化活性和催化效率远不如商品Pt/C电催化剂。方法二则以介孔二氧化硅为模板，采用化学气相沉积技术制备磷掺杂的介孔碳。具体作法是，首先用水热合成法制备介孔二氧化硅（SBA-15）。随后，将所制介孔二氧化硅在三苯基膦的苯酚溶液中充分浸渍，80℃下干燥12小时。再将载有三苯基膦和苯酚的二氧化硅置于管式气氛炉，在流速为80mL min^-1的氩气中900℃下碳化5小时，最后用25wt%的氢氟酸去除二氧化硅模板，即得到磷掺杂的介孔碳。该制备方法工序复杂，不易控制，使用了毒性大、腐蚀性强的氢氟酸，难以宏量生产催化剂。虽然可以通过控制介孔碳的孔道长度来调节所得催化剂的催化活性，但是在最佳条件下所得磷掺杂介孔碳的催化活性仍与商业碳载铂有较大差距。

石墨烯是一种新型的碳材料，具有比表面积大、导电性高、稳定性好等优点，在能量储存与转换技术领域有广泛的应用前景。但是，除本课题组关于磷掺杂石墨烯的制备及氧还原电催化性能的研究外（Rong Li,Zidong Wei,XinglongGou,Wei Xu.Phosphorus-doped graphene nanosheets as efficient metal-free oxygenreduction electrocatalysts.RSC Adv.2013,3,9978-9984.），不含金属的磷掺杂石墨烯的制备及用作氧还原催化剂鲜见报道。

发明内容

本发明的目的是解决现有氧还原电催化剂制备难、活性低、成本高等技术难题，提供一种不含金属的磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂及其制备方法和应用。

为解决上述技术问题，本磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂包括氧化石墨烯基质，和掺杂或附着于所述氧化石墨烯基质的碳骨架上的活性磷元素。

本掺杂石墨烯氧还原电催化剂的制备方法包括以下步骤，

步骤1）氧化石墨制备：以胶体石墨为原料，采用改进的Hummer法制备所述氧化石墨；

步骤2）氧化石墨与含磷离子液体的均匀混合：按照质量比1:1的比例将所制氧化石墨超声分散于含磷离子液体（1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，BmimPF₆）的乙醇溶液中；

步骤3）干燥：将上述分散液置于烘箱中，45℃下真空干燥24h；

步骤4）热解：将上述干燥所得混合物置于惰性气氛中，在200～1000℃温度范围内分段热处理，即得所述磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂。

作为优化，步骤1）所述改进的hummer法制备氧化石墨烯的具体制备方法为，取胶体石墨与硝酸钠，以质量比2:1比例，置于一定量冰浴的浓硫酸中，搅拌下加入3倍于所述石墨质量的高锰酸钾，混合均匀，控制温度低于20℃搅拌1h左右，然后升高温度至32～38℃反应2h，缓慢滴加定量去离子水，充分搅拌均匀，待体系温度下降时加入双氧水终止反应，抽虑、洗涤、干燥后即得氧化石墨。

本掺杂石墨烯氧还原电催化剂优选作为燃料电池和金属-空气电池的阴极电催化剂的应用。

本掺杂石墨烯氧还原电催化剂还可作为电极材料，用于锂离子电池、钠离子电池、超级电容器等电化学能量储存与转换装置的应用。

本掺杂石墨烯氧还原电催化剂还可作为电化学传感器和生物传感器的应用。

本发明所述磷掺杂石墨烯电催化剂的结构表征：

1.催化剂的化学组成由X-射线衍射仪（XRD）、X-射线能谱仪（EDS）和X-射线光电子能谱仪（XPS）进行表征；

2.催化剂的微观结构由扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）/高分辨透射电镜（HRTEM）表征；

3.催化剂的比表面积和孔径分布用氮吸附比表面积仪（BET）测试。

本发明所述磷掺杂石墨烯电催化剂的氧还原催化性能测试

以所述磷掺杂石墨烯催化剂修饰玻碳电极为工作电极、饱和甘汞电极为参比电极、铂丝电极为对电极，0.1M KOH为电解质构成三电极测试体系，在配有旋转圆盘装置（ATA-1B）的电化学工作站（CHI760D）上进行循环伏安（CV）、线性扫描伏安（LSV）和电流-时间曲线（I-t）测试，综合评价所述催化剂的催化性能。

本发明一种磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂及其制备方法和应用的有益效果为：

本发明通过一步热解氧化石墨和含磷离子液体混合物的方法，制备了不含金属的磷掺杂石墨烯纳米片。该法不仅简单易于控制，而且大大提高了材料的比表面积和材料中磷的含量，从而显著增强了该材料的氧还原催化活性，其催化氧还原效率接近于商业Pt/C，稳定性，抗甲醇和一氧化碳毒性远远优于Pt/C催化剂。本发明一种磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂及其制备方法和应用的有益效果为：

1.所制磷掺杂石墨烯具有超薄的纳米片结构（图1），磷嵌入石墨烯纳米片的碳骨架内，含量高（1.16at.%）（图2），分布均匀（图3），可以建立丰富的催化活性位。

2.所述磷掺杂石墨烯纳米材料具有丰富的介孔结构（平均孔径18.8nm），、比表面积大（496.7m²g^-1），如图4所示。这种结构有利于电极与电解液的充分接触，有利于离子和电子的扩散和传输，从而有利于电化学反应的快速进行。

3.所述磷掺杂石墨烯催化氧还原活性高（图5和表1），氧还原反应遵循四电子直接反应机理，反应效率高（图6）。

4.所述磷掺杂石墨烯电催化剂对甲醇不敏感（图7），抗一氧化碳中毒（图8），稳定性好。如图9所示，经过16000s连续测试后磷掺杂石墨烯电极上氧还原电流仅损失3.57%，而碳载铂电极上损失了41.85%。

5.所述磷掺杂石墨烯纳米材料可以作为电催化剂用于金属空气电池、电化学/生物传感器，也可以作为电极活性材料用于锂离子电池、钠离子电池、锂-硫电池、超级电容器等电化学能量储存与转换装置。

附图说明

下面结合附图对本发明一种磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂及其制备方法和应用作进一步说明：

图1是所述磷掺杂石墨烯纳米片的TEM图，显示了其超薄的纳米片层结构；

图2是所述磷掺杂石墨烯纳米材料的XPS图谱，揭示了材料中磷的含量及存在形式；

图3是所述磷掺杂石墨烯纳米片的EDS图，证实了磷的存在，且分布均匀；

图4是所述磷掺杂石墨烯纳米材料的氮吸附/脱附曲线和孔径分布图，证实了材料中存在大量的介孔；

图5是对比了所述磷掺杂石墨烯电催化剂和碳载铂（Pt/C）催化氧还原的LSV曲线；

图6是所述磷掺杂石墨电催化剂在不同电位下催化氧还原Koutechy-Levich直线和转移电子数；

图7是对比了所述磷掺杂石墨烯电催化剂和商品Pt/C抗甲醇毒化性能；

图8是对比了所述磷掺杂石墨烯电催化剂和商品Pt/C抗一氧化碳毒化性能；

图9是对比了所述磷掺杂石墨烯电催化剂和商品Pt/C的稳定性。

具体实施方式

实施例：本掺杂石墨烯氧还原电催化剂的制备方法包括以下步骤，

步骤1）氧化石墨制备：将2g胶体石墨和1g硝酸钠加入46mL经冰浴冷却的浓硫酸中，分次缓慢加入6g高锰酸钾，不断搅拌，保持反应体系温度低于20℃。随后将温度升高至35℃左右，继续搅拌20h。加入92mL去离子水，反应体系温度迅速升高。搅拌30min后，加入142mL去离子水稀释，并加入6mL双氧水（30%）得到黄色分散液。抽虑，用稀盐酸（3.5%）洗涤至无SO₄ ^2-，再用去离子水洗涤至中性，所得沉淀在45℃下真空干燥24h即得氧化石墨。

步骤2）氧化石墨与含磷离子液体的均匀混合：称取0.2g1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体（BmimPF₆）超声分散于80mL乙醇中，再加入0.2g步骤1）制得的氧化石墨，超声1h，得到均匀的胶体。

步骤3）干燥：此胶体于45℃下真空干燥24h，得到GO/BmimPF₆均匀固态混合物。

步骤4）热解：将所得GO/BmimPF₆固态混合物置于气氛炉的石英管中，通入惰性气体（N₂或Ar）进行分步热处理。先以10℃min^-1的速率升温至200℃，保持10min；再以4℃min^-1的速率升温至550℃，保持2h；然后以10℃min^-1的速率升温至1000℃，保持1h。冷却至室温后即得本发明所述磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂。

本发明所述磷掺杂石墨烯电催化剂的电化学性能测试包括如下步骤。

1）工作电极的制备

在麂皮上用三氧化二铝粉将直径为3mm的玻碳电极抛光至镜面，依次用乙醇和去离子水超声清洗5min，自然晾干待用。将1mg实施例2所述磷掺杂石墨烯或商品Pt/C催化剂超声分散于0.5mL Nafion的乙醇溶液（Nafion浓度为0.05%）。将5μL催化剂分散液滴涂于事先准备好的玻碳电极表面，自然晾干制得工作电极，其催化剂载量为141.5μg cm^-2。

2）氧还原电催化性能测试

以催化剂修饰的玻碳电极为工作电极，铂丝为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，氧气或氮气饱和的0.1M KOH为电解液，构成三电极测试体系。氧还原催化性能测试在配有旋转圆盘装置（ATA-1B）的电化学工作站（CHI760D）上完成。

在-1.0～0.2V电位范围内测试循环伏安（CV）曲线，扫速为100mVs^-1。在0.2～-0.8V电位范围内测试线性扫描伏安（LSV）曲线，扫速为5mVs^-1，电极转速为1600rpm。

不同转速下测试催化氧化还原LSV曲线，从而得到不同电位下的电子转移数。

采用电流-时间法（I-t）测试催化剂抗甲醇和一氧化碳中毒及稳定性。极化电位为-0.26V，电极转速为1600rpm。

上述实施方式旨在举例说明本发明可为本领域专业技术人员实现或使用，对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，故本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂，其特征是：该催化剂包括氧化石墨烯基质，和掺杂或附着于所述氧化石墨烯基质的碳骨架上的活性磷元素。

2.根据权利要求1所述的磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂，其特征是：该催化剂的制备方法包括以下步骤，

3.根据权利要求2所述的磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂，其特征是：步骤1）所述改进的hummer法制备氧化石墨烯的具体制备方法为，取胶体石墨与硝酸钠，以质量比2:1比例，置于一定量冰浴的浓硫酸中，搅拌下加入3倍于所述石墨质量的高锰酸钾，混合均匀，控制温度低于20℃搅拌1h左右，然后升高温度至32～38℃反应2h，缓慢滴加定量去离子水，充分搅拌均匀，待体系温度下降时加入双氧水终止反应，抽虑、洗涤、干燥后即得氧化石墨。

4.根据权利要求1至3任一所述的磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂，其特征是：所述催化剂作为燃料电池和金属-空气电池的阴极电催化剂的应用。

5.根据权利要求1至3任一所述的磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂，其特征是：所述催化剂作为电极材料，用于锂离子电池、钠离子电池、超级电容器等电化学能量储存与转换装置的应用。

6.根据权利要求1至3任一所述的磷掺杂石墨烯氧还原电催化剂，其特征是：所述催化剂作为电化学传感器和生物传感器的应用。