CN105932310A - 硼氮掺杂石墨烯载钯催化剂 - Google Patents

硼氮掺杂石墨烯载钯催化剂 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯催化剂，特别涉及一种硼氮掺杂石墨烯载钯催化剂。该催化剂由如下方法制得：以Hummers合成法制得氧化石墨烯，将其与硼酸共热制得硼掺杂的氧化石墨烯，与氨水浸渍，使硼掺杂的氧化石墨烯再得到氮的掺杂并同时发生还原，抽滤，在氮气保护下400‑450℃焙烧，再将其经硼氢化钾法负载上Pd金属，得到硼氮掺杂石墨烯载钯催化剂。本发明是以Hummers合成法制得氧化石墨烯，将其与硼酸共热制得硼掺杂的氧化石墨烯，与氨水浸渍，使硼掺杂的氧化石墨烯再得到氮的掺杂并同时得到还原，抽滤之后在氮气保护下焙烧，再将产品经硼氢化钾法负载上Pd金属，得到硼氮掺杂石墨烯载钯催化剂。

Description

硼氮掺杂石墨烯载钯催化剂
技术领域
本发明涉及一种石墨烯催化剂，特别涉及一种硼氮掺杂石墨烯载钯催化剂。
背景技术
随着社会的不断发展与进步，能源问题成为了我们人类社会进步必须要突破的难题，寻找一个较高储量，较低价格，较低或者没有毒害的能源来源，成为现在专家学者研究的主要方向，而燃料电池因为它拥有着干净，安全，低噪音，多样化的燃料，较高的转换效率(40～70％)的优点，迅速的占据人们的视线，选择优秀的体系，高性能的催化剂成为了现在专家学者研究的主要方向。
直接燃料电池符合人们的要求，其中以甲酸为原料的直接甲酸燃料电池具有使用简单、整体结构不复杂、燃料为液态、无毒等优点，这些年研究进展较快。甲酸燃料电池之中的甲酸因为其甲酸阴离子与Nafion膜中的磺酸基团具有静电作用导致的较大的排斥力，因而降低了渗透作用，使其具有较好的电催化氧化性。直接甲酸燃料电池拥有的优势不容置疑，使其受到了人们较大的重视。
甲酸的催化氧化可分为2个方式：(1)甲酸先氧化成中间态CO然后再生成CO2；(2)甲酸直接氧化成CO2，其中Pt催化剂是按第一种反式进行氧化较多，第一种方式中产生的中间产物CO会是催化剂发生中毒，导致催化剂遭到破坏，使其寿命下降。因此，相比于Pt催化剂的劣势，Pd催化剂则倾向以第二种方式进行氧化，从而减弱了这个问题，是催化剂寿命得到保护，其电催化活性也不输于Pt，但Pd催化剂不稳定，易团聚，往往以合金的形式制成催化剂如Pd/P，Pd/Pd，Pd/Co，负载在氧化石墨烯上，所以Pd基合金催化剂是作为具有较好催化性能的直接甲酸燃料电池的阳极催化剂的主要选择之一。
载体往往选择石墨烯，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状结构的新型碳材料，具有很多优良的性能，例如具有电导率高、机械性能与众不同以及比表面积大，优势于其他催化剂载体，所以被公认为是具有潜在应用的催化剂载体。燃料电池的制备对载体的要求石墨烯都能较好的符合，较好的电导率有利于直接提升电性能，较大的比表面积与其独特的结构，使我们能较容易掺杂与负载其他物质上去，对其性能进行探究与改良，使催化剂有更好的活性，达到得到较好性能燃料电池的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电催化性能较为优异的硼氮掺杂石墨烯载钯催化剂(Pd/B-N-Graphene)。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种硼氮掺杂石墨烯载钯催化剂，该催化剂由如下方法制得：以Hummers合成法制得氧化石墨烯，将其与硼酸共热制得硼掺杂的氧化石墨烯，与氨水浸渍，使硼掺杂的氧化石墨烯再得到氮的掺杂并同时发生还原，抽滤，在氮气保护下400-450℃焙烧，再将其经硼氢化钾法负载上Pd金属，得到硼氮掺杂石墨烯载钯催化剂。本发明是以Hummers合成法制得氧化石墨烯，将其与硼酸共热制得硼掺杂的氧化石墨烯，与氨水浸渍，使硼掺杂的氧化石墨烯再得到氮的掺杂并同时得到还原，抽滤之后在氮气保护下焙烧，再将产品经硼氢化钾法负载上Pd金属，得到硼氮掺杂石墨烯载钯催化剂。
作为优选，该催化剂中，含有B 0.5±0.2％，N 4.01±1％，Pd 1.65±0.5％，C43.77±5％，余量为O，以上均为原子比。
该催化剂由如下方法制得：
①B-Graphene的制备
称取1.546g的硼酸，加适量去离子水溶解，在30-35℃的水浴锅中搅拌溶解，再加入200mg氧化石墨烯，用超声波破碎仪超声10min，溶液超声均匀后转移至反应釜中，用适量去离子水清洗超声波破碎仪的探头，清洗的溶液也转移至反应釜中，将反应釜放入恒温真空干燥箱，130-135℃温度下反应5-6小时，抽滤，将所得B-Graphene放入干燥箱，70-75℃干燥；②B-N-Graphene的制备
将干燥后的B-Graphene与30ml氨水混合，超声均匀后，转移至反应釜，另取适量氨水清洗探头，清洗的溶液也加入至反应釜中，放入恒温真空干燥箱中，190-200℃下反应5-6小时后取出，置于通风处，待到气味淡去，进行抽滤，将固体产物收集至焙烧皿后置于节能管式炉中，通氮气，400-450℃下焙烧5-6小时，反应结束后，冷却，取出B-N-Graphene催化剂产品；
③Pd/B-N-Graphene的制备
将上一步制得的B-N-Graphene催化剂加入适量去离子水，放入超声清洗机中超声三次，每次10分钟，每次之间换一次水，再加入0.05mol/L的PdCl2溶液2.87ml，重复超声步骤超声2次；超声完成后，用KOH溶液调节pH值至弱碱性，向混合液通氮气，50-55℃水浴加热回流，另取一容器，加入315mg的硼氢化钾固体，用适量蒸馏水溶解，用针筒将硼氢化钾溶液滴加到上述混合液中进行反应，反应结束后，立即抽滤，并用少量的去离子水对固体洗涤，抽滤结束后将固体转移至烧杯中，70-75℃烘干。重复超声的意思是10分钟间隔，停一段时间，再超声10分钟。仪器长时间连续超声会温度升高。
本发明将硼氮掺杂载钯的石墨烯催化剂与硼掺杂载钯石墨烯，氮掺杂载钯石墨烯，无掺杂的载钯石墨烯进行XRD(X射线衍射)和CV(循环伏安特性曲线)，LSV等表征，将所得的表征图像进行对比，探究硼与氮的掺杂对载钯石墨烯的电催化性能的影响，进而探究硼氮掺杂下载钯石墨烯本身电催化性能的强度。从对比图像中可以读出这四种催化剂自身电催化性能的优劣，其中以本发明的硼氮掺杂下的载钯石墨烯的性能最优，最后将催化剂在纯硫酸体系中所得的表征图像与在nH2SO4:nHCOOH＝2:1的溶液体系中的表征图像做对比，得出后者体系下，催化剂的电催化性能更佳。
附图说明
图1是用于催化剂的电化学性能表征的实验装置图；
图2是4种催化剂在1mol/L HCOOH+0.5mol/LH2SO4体系中，扫速为20mV/s下的CV谱图；
图3为4种催化剂在1mol/L HCOOCH+0.5mol/L H2SO4电解液中扫速为50mV/s条件下的循环伏安曲线；
图4为催化剂在电解液中的LSV图；
图5为4种催化剂的极化电流表征结果图；
图6为4种催化剂在0.5mol/L的硫酸体系中的循环伏安曲线；
图7是4种催化剂在1mol/L HCOOCH+0.5mol/L H2SO4电解液的于同一扫速下的Tafel曲线；
图8为4种催化剂的XRD谱图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
主要仪器为：
主要试剂为：
实施例：
一、Pd/B-N-Graphene催化剂的合成
1 B-Graphene的制备
称取1.546g的硼酸，溶解于20ml去离子水，在30℃的水浴锅中搅拌溶解，再称取200mg氧化石墨烯，加入烧杯，用超声波破碎仪超声10min，溶液超声均匀后转移至反应釜中，用10ml去离子水清洗探头，清洗的溶液也转移至反应釜中，将反应釜放入恒温真空干燥箱，130℃温度下反应五小时，抽滤，将所得B-Graphene放入干燥箱，70℃干燥。
2 B-N-Graphene的制备
将干燥后的B-Graphene加入装有30ml氨水的100ml大烧杯中，超声均匀后，转移至反应釜，另取30ml氨水清洗探头，清洗的溶液也加入至反应釜中，放入恒温真空干燥箱中，190℃下反应5小时后取出，置于空旷通风处，待到气味淡去，进行抽滤，将固体产物收集至焙烧皿后置于节能管式炉中，通氮气，400℃下焙烧五小时，反应结束后，冷却，取出产品。
3 Pd/B-N-Graphene的制备
将制取的B-N-Graphene催化剂置于50ml的烧杯中，加入去离子水30ml，放入超声清洗机中超声三次，每次10分钟，每次之间换一次水，再用5ml的移液管移取0.05mol/L的PdCl2溶液2.87ml至烧杯中，重复超声步骤超声2次。超声完成后，用KOH溶液调节PH值至弱碱性，将溶液移至三颈烧瓶中，搭好回流装置，通氮气，50℃水浴加热，另取一个100ml烧杯，加入315mg的硼氢化钾固体，用60ml蒸馏水溶解，用针筒将硼氢化钾溶液滴加到三颈烧瓶中，6小时刚好加完，反应结束后，立即抽滤，并用少量的去离子水对固体洗涤，抽滤结束后将固体转移至烧杯中，70℃烘干。
二、催化剂的表征
1 X射线衍射(XRD)
X射线衍射(XRD)测试：XRD测试在Bruker AXS D8Advance型X射线衍射仪上进行(CuKα,λ＝0.154056nm)，工作电压40kV，电流40mA，扫描速度为1.6o/min,步宽0.04o。
2电极的制备
用分析天平称取5mg的Pd/B-N-Graphene催化剂，放入离心管中，用进样针移取15μL Nafion溶液和30μL无水乙醇溶液与离心管中，用超声清洗机将其超声至油墨状后，再用移液枪移取3μL于已磨好并干燥的电极中，(电极材料为经Al2O3抛光后的玻璃碳，直径为4mm。)待到催化剂干燥后，就是实施例中要用的工作电极。
3实验装置的组装
采用三电极体系(如图1)，1为铂片，2为工作电极，3为饱和甘汞电极，4为玻璃隔膜。参比电极：饱和甘汞电极，用于确定工作电极电位；辅助电极：铂电极，用于传导电流。使用CV、LSV和IT研究催化剂对甲酸氧化的电催化性能。CV可以观察到催化剂的催化氧化的电流峰(扫描范围在-0.2V～0.8V之间，扫描速率为50mV/s)；LSV可以确定催化剂的起始氧化电位；IT可以测得甲酸电催化氧化电流随时间变化(恒电位为0.4V)。电解液为1mol/LHCOOH+0.5mol/L H2SO4(以下均简称为电解液)。在电解液中通入20min得氮气以除去电解液中的溶解氧，方可进行电化学性能测试。
4电化学性能测试分析
4.1催化剂在甲酸氧化催化中的电催化性能
图2为4种催化剂在1mol/L HCOOH+0.5mol/LH2SO4体系中，扫速为20mV/s下的CV谱图，从图中可以看出Pd/Graphene在0.1V有一个甲酸氧化的峰，它的峰电位为11.11mA/cm2，相比下单元素掺杂下的Pd/N-Graphene与Pd/B-Graphene在0.1V位至的氧化峰峰电位分别为11.78mA/cm2、25.03mA/cm2，相比无掺杂载钯石墨烯，性能略微增加，而Pd/B-N-Graphene催化剂在0.15V出峰的峰电位为76.79mA/cm2，约为Pd/Graphene催化剂峰电位的7倍，性能大大提升，所以双元素掺杂对催化剂性能大大增加。
图3为4种催化剂在1mol/L HCOOCH+0.5mol/L H2SO4电解液中扫速为50mV/s条件下的循环伏安曲线，从图中可以读出在0.1V左右出现甲酸氧化的突出峰，Pd/Graphene的峰电位为11.29mA/cm2，单元素掺杂下的Pd/N-Graphene与Pd/B-Graphene的峰电位为31.68mA/cm2、36.58mA/cm2、约为未掺杂的纯钯石墨烯的催化剂峰电位的3倍，而Pd/B-N-Graphene催化剂在0.15V出峰的峰电位为116.32mA/cm2，是Pd/Graphene的10倍，是Pd/N-Graphene与Pd/B-Graphene的3倍，所以Pd/B-N-Graphene催化剂的性能比其他三种催化剂好很多。综合图2和图3，我们可以得出结论，Pd/N-Graphene与Pd/B-Graphene性能比Pd/Graphene催化剂性能要好，而Pd/B-N-Graphene催化剂性能最佳。
图4为催化剂在电解液中的LSV图，扫速为2mV/s，在图中，Pd/N-Graphene与Pd/B-Graphene峰面积比Pd/Graphene大，所以相比下前者的性能比Pd/Graphene略好，而Pd/B-N-Graphene峰面积比其他三者大出了很多且该催化剂的起峰早于其他三者，所以该催化剂性能大出其他三种催化剂很多，双元素掺杂对催化剂性能有非常大的提升。4.2催化剂稳定性
极化电流曲线是为了考察催化性电催化性稳定性的，4种催化剂的极化电流表征结果如图5所示，在3600S内走势均为下降，而下降速度Pd/Graphene＞Pd/B-Graphene＞Pd/N-Graphene＞Pd/B-N-Graphene,得出结论Pd/B-N-Graphene稳定性比Pd/B-Graphene与Pd/N-Graphene好，Pd/Graphene稳定性最差。电流密度下降的原因是电极失活，起因是甲酸氧化过程中会产生CO，CO积累与催化剂的表面会使催化剂表面被CO占据，从而使催化剂的活性中心不能与体系接触而导致失活现象的出现，使电流下降。
4.3催化剂在硫酸中的电催化性能测定
图6为4种催化剂在0.5mol/L的硫酸体系中的循环伏安曲线，扫描速度为20mv/s。该过程可以划分为3个阶段，第一个阶段为-0.25V—+0.1V这一段的氢吸附与脱附过程，紧接着是+0.1V—+0.4V这一阶段的双电层的充电和放电过程，最后是在+0.4V—+0.8V的氧的氧化和还原区。4种催化剂都出现了氢脱附的峰，这些峰不同但都有这一定的规律，从图中，Pd/B-Graphene与Pd/N-Graphene的氢脱附的峰面积略大于Pd/Graphene，所以单元素掺杂使催化剂性能略微提升，Pd/B-N-Graphene的氢脱附峰面积比其他三种催化剂大很多，所以性能远超其他三种催化剂，双元素掺杂对催化剂性能提升极大。4.4催化剂在甲酸体系中的Tafel曲线
图7是4种催化剂在1mol/L HCOOCH+0.5mol/L H2SO4电解液的于同一扫速下的Tafel曲线。由图可以看出，Pd/Graphene催化剂的平衡电位在-0.27V，而Pd/B-N-Graphene催化剂电位明显负向移动至-0.28V。同样说明Pd/B-N-Graphene催化剂性能更佳。
5 XRD图谱分析
如图8所示为4种催化剂经XRD测试得到的谱图，我们可以看到还原石墨烯的(002)晶面的衍射峰在2θ为10.2°的位置上，Pd晶体(111)、(200)、(220)、(311)晶面的衍射峰分别为2θ为39.2°、46.6°、67.8°和80.2°，这表明催化剂均由立方面心的Pd金属颗粒和石墨烯组成。
可以根据Scherrer公式[21]计算出较准确的平均粒径，故我们选择Pd(111)晶面衍射峰进行计算：
dXRD＝Kλ/β1/2cosθ (1)
式中，K是与晶粒形状相关的常数取0.9，β1/2为测定晶面衍射峰的半峰宽；λ为X射线源的入射波长(CuKa为0.15406nm)，dXRD为粒子粒径(nm)，θ为衍射角。由催化剂的(111)晶面的XRD衍射峰可以计算出Pd纳米粒子的平均粒径，结果如表1所示。从表中可以看出，催化剂Pd粒径大小顺序为Pd/Graphene≈Pd/B-Graphene＞Pd/N-Graphene＞Pd/B-N-Graphene，B-N-Graphene担载的Pd颗粒最小。而各催化剂的粒径大小顺序与催化剂对甲酸氧化反应的催化活性和稳定性顺序刚好相反。即Pd粒径越大，其催化活性和稳定性均越差。这说明B-N共掺杂石墨烯有利于Pd金属粒子的分散性，获得了粒径最小的金属Pd，提高了其利用率，从而获得了最佳反应性能。
表1四种催化剂的Pd粒径大小对比
结论
本发明通过合成Pd/Graphene、Pd/N-Graphene、Pd/B-Graphene、Pd/B-N-Graphene4种催化剂并对他们进行电化学表征，发现稳定性和性能都是Pd/Graphene＜Pd/B-Graphene＜Pd/N-Graphene＜Pd/B-N-Graphene，得出结论，单元素掺杂载钯的氧化石墨烯催化剂的稳定性和性能都比单纯的载钯氧化石墨烯性能略高，而对载钯的氧化石墨烯进行双元素掺杂后获得的B-N共掺杂石墨烯有利于Pd金属粒子的分散性，获得了粒径最小的金属Pd，提高了其利用率，，可使催化剂的性能和稳定性都得到大大的提升。本发明合成Pd/B-N-Graphene成功，且稳定性和性能均最佳。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (3)

1.一种硼氮掺杂石墨烯载钯催化剂，其特征在于该催化剂由如下方法制得：以Hummers合成法制得氧化石墨烯，将其与硼酸共热制得硼掺杂的氧化石墨烯，与氨水浸渍，使硼掺杂的氧化石墨烯再得到氮的掺杂并同时发生还原，抽滤，在氮气保护下400-450℃焙烧，再将其经硼氢化钾法负载上Pd金属，得到硼氮掺杂石墨烯载钯催化剂。
2.根据权利要求1所述的硼氮掺杂石墨烯载钯催化剂，其特征在于：该催化剂中，含有B0.5±0.2%，N 4.01±1%，Pd 1.65±0.5%，C 43.77±5%，余量为O，以上均为原子比。
3.根据权利要求1所述的硼氮掺杂石墨烯载钯催化剂，其特征在于该催化剂由如下方法制得：
①B-Graphene的制备
称取1.546g的硼酸，加适量去离子水溶解，在30-35℃的水浴锅中搅拌溶解，再加入200mg氧化石墨烯，用超声波破碎仪超声10min，溶液超声均匀后转移至反应釜中，用适量去离子水清洗超声波破碎仪的探头，清洗的溶液也转移至反应釜中，将反应釜放入恒温真空干燥箱，130-135℃温度下反应5-6小时，抽滤，将所得B-Graphene放入干燥箱，70-75℃干燥；②B-N-Graphene的制备
将干燥后的B-Graphene与30ml氨水混合，超声均匀后，转移至反应釜，另取适量氨水清洗探头，清洗的溶液也加入至反应釜中，放入恒温真空干燥箱中， 190-200℃下反应5-6小时后取出，置于通风处，待到气味淡去，进行抽滤，将固体产物收集至焙烧皿后置于节能管式炉中，通氮气，400-450℃下焙烧5-6小时，反应结束后，冷却，取出B-N-Graphene催化剂产品；
③Pd/B-N-Graphene的制备
将上一步制得的B-N-Graphene催化剂加入适量去离子水，放入超声清洗机中超声三次，每次10分钟，每次之间换一次水，再加入0.05mol/L的PdCl2溶液2.87ml，重复超声步骤超声2次；超声完成后，用KOH溶液调节pH值至弱碱性，向混合液通氮气，50-55℃水浴加热回流，另取一容器，加入315mg的硼氢化钾固体，用适量蒸馏水溶解，用针筒将硼氢化钾溶液滴加到上述混合液中进行反应，反应结束后，立即抽滤，并用少量的去离子水对固体洗涤，抽滤结束后将固体转移至烧杯中，70-75℃烘干。
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