CN104795575B - 一种高活性Co3S4与石墨烯复合电极材料的制备方法 - Google Patents

一种高活性Co3S4与石墨烯复合电极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高活性Co3S4与石墨烯复合电极材料的制备方法,该方法包括如下步骤:(一)、制备氧化石墨烯;(二)、制备氧化石墨烯和氢氧化钴浊液;(三)、匀速搅拌、陈化;(四)、制备Co3S4与石墨烯复合电极材料;本发明的优点:(一)、采用上述制备方法,实现了高活性的Co3S4与石墨烯复合电极材料的合成;(二)、合成工艺简单、工艺条件温和、操作方便、成本低;(三)、本发明具有普适性,为设计合成其它石墨烯复合材料提供新的思路;(四)、本发明制备的Co3S4与石墨烯复合电极材料,稳定性好,且避免了使用有毒还原剂。本发明制备的高活性Co3S4与石墨烯复合材料,适用于作为聚合物电解质膜(PEMFC)燃料电池的阴极催化剂,催化活性显著提高,电池性能明显增强。

Description

一种高活性Co3S4与石墨烯复合电极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料制备技术领域,具体涉及一种高活性Co3S4与石墨烯复合电极材料的制备方法。
背景技术
石墨烯具有独特的一维平面结构和大的比表面积、奇特的电子性质和稳定性等优点,广泛用于燃料电池催化剂载体,将石墨烯与贵金属Pt复合后,具有优异的抗腐蚀性和良好的电子传导能力,电催化活性高,因此广泛用于燃料电池电极材料。由于贵金属Pt资源稀少、价格昂贵, 导致电池成本居高不下,限制了PEMFC 商品化和规模化生产。因此,研究价格低廉、催化活性高的非Pt 催化剂成为促进PEMFC发展的重要目标。非贵金属催化剂中,过渡金属硫族化合物在酸性介质中氧还原催化活性高、选择性强、稳定性好、生产成本低,具有较好的应用前景。Co3S4与石墨烯复合材料兼具有石墨烯和过渡金属硫族化合物的优点,电催化氧还原性能和稳定性好,是一类很有前途的PEMFC阴极催化剂材料。因此,探索合成新型的具有优良性能的Co3S4与石墨烯复合材料一直是国内外学者研究的热点领域。
Co3S4与石墨烯复合材料的合成方法主要有固相法、磁电溅射法、低温回流,各种方法具有不同的特点,根据对产物性能的要求可以采用不同的合成方法。目前多采用低温回流法合成Co3S4与石墨烯复合材料,该法多采用两步法,首先利用水合肼将氧化石墨还原为石墨烯,随后将硫和钴化合物以及石墨烯在溶剂中回流,合成Co3S4与石墨烯复合材料。该法合成的Co3S4与石墨烯复合材料具有较好的性能,但还原剂有毒,工艺相对复杂,且Co3S4粒子直径大,尺寸不易控制,影响其应用前景。且作为电极材料催化活性不高,这也不利于未来的大规模生产和应用。结合以上分析,用一种简单的方法,得到具有粒径较小,高催化活性的Co3S4与石墨烯复合电极材料,是一项十分重要科学意义的工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种高活性Co3S4与石墨烯复合电极材料的制备方法,解决现有技术制备Co3S4与石墨烯复合电极材料存在的催化剂昂贵、粒子尺寸大、反应比例不方便控制和工艺复杂问题。
为实现上述目的本发明的技术方案是,一种高活性Co3S4与石墨烯复合电极材料的制备方法,包括以下步骤:
一、氧化石墨烯的制备:取氧化石墨,加入乙二醇,一定频率下超声,离心分离,弃去未被剥离的氧化石墨,得氧化石墨烯溶液;
二、氧化石墨烯和氢氧化钴浊液的制备:向氧化石墨烯溶液中滴加NHH2O调定pH,随后加入氯化钴,超声时间为10~30min,控制加入的氧化石墨烯和氢氧化钴的质量比为1:10~3:10;
三、匀速搅拌、陈化:搅拌15~25小时,陈化10~15h,控温在30~60℃;
四、向步骤三经匀速搅拌、陈化后得到的溶液中加入还原剂硫脲,在一定频率下超声10~40 min后,控温在100~170℃回流反应20小时,抽滤,洗涤,真空干燥。控制加入的硫脲和氢氧化钴的物质的量的比为4:3,即得到高活性的Co3S4与石墨烯复合电极材料。
所述在100mg氧化石墨中加入乙二醇的量为80~120mL,在20~50kHz的频率下超声0.5~1.5小时。
所述匀速搅拌,搅拌速度200~300r/min。
所述NHH2O调节pH为8~10。
所述真空干燥的真空度满足小于等于60Pa。
本发明的优点:一、采用上述制备方法,实现了高活性的Co3S4与石墨烯复合电极材料的合成;二、合成工艺简单、工艺条件温和、操作方便、成本低;三、本发明具有普适性,为设计石墨烯复合电极材料提供新的思路;四、本发明制备的Co3S4与石墨烯复合电极材料与现有的电极材料相比,稳定性好,活性高。本发明制备的高活性Co3S4与石墨烯复合材料,适用于作为燃料电池的电极材料。将Co3S4与石墨烯复合电极材料用于燃料电池中,催化活性显著提高,电池性能明显增强。
附图说明
图1、图2、图3分别是实施例1、实施例2以及实施例3得到的一种高活性Co3S4与石墨烯复合电极材料的SEM图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明,下面通过具体的实施例来说明本发明的技术方案。
实施例1:一种高活性Co3S4与石墨烯复合电极材料的制备方法,具体是按以下步骤完成的:
一、氧化石墨烯的制备:取100mg氧化石墨,加入80mL乙二醇,在20kHz的频率下超声1.5小时。离心分离,弃去未被剥离的氧化石墨,得氧化石墨烯溶液;
二、氧化石墨烯和氢氧化钴浊液的制备:向氧化石墨烯溶液中滴加NHH2O调pH=8后,加入氯化钴,超声20min。控制加入的氧化石墨烯和氢氧化钴的质量比为1:10;
三、匀速搅拌、陈化:搅拌15~20小时,陈化12h。控温在30℃;
四、向步骤三经匀速搅拌、陈化后得到的溶液中加入还原剂硫脲,在30kHz的频率下超声15 min后,控温在120℃回流反应20小时,抽滤,洗涤,真空干燥。控制加入的硫脲和氢氧化钴的物质的量的比为4:3,即得到高活性的Co3S4与石墨烯复合电极材料。
本实施例中加入的CoCl2·6H2O质量为7.84g,CN2H4S为3.34g。
本实施例中匀速搅拌,即200r/min搅拌30min。
对本实施例得到的Co3S4与石墨烯复合材料进行SEM测试,得到SEM如图1所示,石墨烯的片层结构明显,Co3S4的粒径较小。
实施例2:一种高活性Co3S4与石墨烯复合电极材料的制备方法,具体是按以下步骤完成的:
一、氧化石墨烯的制备:取100mg氧化石墨,加入90mL乙二醇,在30kHz的频率下超声1小时。离心分离,弃去未被剥离的氧化石墨,得氧化石墨烯溶液;
二、氧化石墨烯和氢氧化钴浊液的制备:向氧化石墨烯溶液中滴加NHH2O调pH=9后,加入氯化钴,超声15min。控制加入的氧化石墨烯和氢氧化钴的质量比为1:5;
三、匀速搅拌、陈化:搅拌15~20小时,陈化10h。控温在40℃;
四、向步骤三经匀速搅拌、陈化后得到的溶液中加入还原剂硫脲,在20kHz的频率下超声10 min后,控温在140℃回流反应15小时,抽滤,洗涤,真空干燥。控制加入的硫脲和氢氧化钴的物质的量的比为4:3。即得到高活性的Co3S4与石墨烯复合电极材料。
本实施例中加入的CoCl2·6H2O质量为3.92g,CN2H4S为1.67g。
本实施例中匀速搅拌,即300r/min搅拌20min。
对本实施例得到的Co3S4与石墨烯复合材料进行SEM测试,得到SEM如图2所示,石墨烯的片层结构明显,且Co3S4的粒径较小。
实施例3:一种高活性Co3S4与石墨烯复合电极材料的制备方法,具体是按以下步骤完成的:
一、氧化石墨烯的制备:取100mg氧化石墨,加入100mL乙二醇,在40kHz的频率下超声0.5小时。离心分离,弃去未被剥离的氧化石墨,得氧化石墨烯溶液;
二、氧化石墨烯和氢氧化钴浊液的制备:向氧化石墨烯溶液中滴加NHH2O调pH=10后,加入氯化钴,超声15min。控制加入的氧化石墨烯和氢氧化钴的质量比为3:10;
三、匀速搅拌、陈化:搅拌15~20小时,陈化10h。控温在50℃;
四、向步骤三中经匀速搅拌、陈化后得到的溶液中加入还原剂硫脲,在40kHz的频率下超声10 min后,控温在160℃回流反应12小时,抽滤,洗涤,真空干燥。控制加入的硫脲和氢氧化钴的物质的量的比为4:3,即得到高活性的Co3S4与石墨烯复合电极材料。
本实施例中加入的CoCl2·6H2O质量为2.62g,CN2H4S为1.12g。
本实施例中匀速搅拌,即250r/min搅拌20min。
对本实施例得到的Co3S4与石墨烯复合材料进行SEM测试,得到SEM如图3所示,石墨烯的片层结构明显,且Co3S4的粒径较小。

Claims (5)

1.一种高活性Co3S4与石墨烯复合电极材料的制备方法,其特征在于:所述的制备方法包括如下步骤:
(一)、氧化石墨烯的制备:取氧化石墨,加入乙二醇,超声,离心分离,弃去未被剥离的氧化石墨,得氧化石墨烯溶液;
(二)、氧化石墨烯和氢氧化钴浊液的制备:向氧化石墨烯溶液中滴加NHH2O调定pH,随后加入氯化钴,超声时间为10~30min;
控制加入的氧化石墨烯和氢氧化钴的质量比为1:10~3:10;
(三)、匀速搅拌、陈化:搅拌15~25小时,陈化10~15h;
控温在30~60℃;
(四)、向步骤(三)经匀速搅拌、陈化得到的溶液中加入还原剂硫脲,在一定频率下超声10~40 min后,控温在100~170℃回流反应20小时,抽滤,洗涤,真空干燥;控制加入的硫脲和氢氧化钴的物质的量的比为4:3,即得到高活性的Co3S4与石墨烯复合电极材料。
2.根据权利要求1所述的一种高活性Co3S4与石墨烯复合电极材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(一)中在100mg氧化石墨中加入乙二醇的量为80~120mL,在20~50kHz的频率下超声0.5~1.5小时。
3.根据权利要求1所述的一种高活性Co3S4与石墨烯复合电极材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(二)中滴加NHH2O调pH=8~10。
4.根据权利要求1所述的一种高活性Co3S4与石墨烯复合电极材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(三)中的匀速搅拌速度为200~300r/min。
5.根据权利要求1所述的一种高活性Co3S4与石墨烯复合电极材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(四)中真空干燥的真空度满足小于等于60Pa。
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