CN108461763A - 一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料及制备与应用 - Google Patents

一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料及制备与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于电催化材料领域，公开了一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料及制备与应用。将氧化石墨烯超声分散于去离子水中，依次加入吗啉乙磺酸、钴金属盐和硫粉搅拌混合均匀，得到混合液；将所得混合液在150～180℃水热反应，得到前驱体固体粉末，然后加热至300～600℃煅烧处理，降温后即得到所述二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料。本发明的制备方法简单，所制备的二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料结构稳定，导电性能良好，作为电催化材料具有优异的催化性能和高稳定性。

Description

一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料及制备与应用
技术领域
本发明属于电催化材料领域，具体涉及一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料及制备与应用。
背景技术
燃料电池(Fuel Cells)这种将燃料的化学能高效且环境友好地直接转化成电能的新能源技术，因其具有能量转化效率高、对环境影响小(零排放或者低排放)、燃料多样化等诸多优点而受到广泛关注；它们被誉为是继水力、火力、核能之后第四代发电技术。而其中的质子交换膜燃料电池更是具有工作温度低、启动速度快的优点，被认为最有希望替代内燃机成为未来的汽车动力装置。目前，尽管对质子交换膜燃料电池的研究取得了很大进展，并陆续有以质子交换膜燃料电池为动力的示范性电动汽车面世，但要实现质子交换膜燃料电池大规模商业化应用还有大量的科学技术难关需要去攻克。其中，成本高和寿命短是制约质子交换膜燃料电池发展的两大突出问题，而导致这两大问题的关键因素之一在于电催化剂。过去，商业化燃料电池中使用最多的催化剂是铂或铂合金，但由于铂资源匮乏，价格昂贵，抗毒性差等限制了其在质子交换膜燃料电池中的应用。特别是电池中阴极，因其氧还原反应(Oxygen reduction reaction,ORR)速率远低于阳极燃料(如氢)氧化反应的速率，从而需要比阳极高出许多的催化剂去加速其氧还原反应进程；目前质子交换膜燃料电池阴极铂载量占电池总铂载量的75％左右。因此，开发低成本、高活性的ORR非铂催化剂来替代铂碳催化剂，被认为是降低燃料电池成本，从而实现其大规模商业化应用的最佳途径。
石墨烯因具有独特的物理、化学、机械性能，如高的理论比表面积、优异的机械强度、良好的柔韧性和高的电导率等而备受关注，它们被认为在电容器、传感器、锂离子电池、燃料电池等方面都有着光明的应用前景。如果能结合石墨烯特有的性能，将其进行适当的修饰和复合后使其具有良好的氧还原催化活性，从而应用于燃料电池阴极催化剂，将会是一件意义重大的工作。
2008年中国科学院化学研究所刘云圻研究组采用化学气相沉积法首次公开了掺杂石墨烯及其制备方法(CN101289181)。另外斯坦福大学戴宏杰课题组通过电热得到了氮掺杂石墨烯(Science 2009,324,768)。至此，掺杂石墨烯材料的制备及性能研究逐渐成为人们关注的热点。例如，Qu等(ACS Nano,2010,4,1321-1326)用CVD法制备出了N/C＝4％的掺氮石墨烯，层数为2～8层。在0.1M KOH溶液中，以此掺氮石墨烯修饰的工作电极尽管起始电位比Pt/C电极低0.2V，但其电流密度却是Pt/C电极的3倍，ORR反应按4电子过程进行。Parvez等人(ACS Nano,2012,6,9541-9550)则用氧化石墨与氨腈为前驱物，通过两步热处理制备了掺氮石墨烯。第一步热处理温度为500℃，持续时间为4小时，氨腈被分解成CN；第二步温度为800℃、900℃或1000℃，形成CN-G形式的掺氮石墨烯。TEM显示，此材料实际为石墨烯与含氮无定形碳的混合物。
目前杂原子掺杂石墨烯片的制备方法主要采用高温直接热解法或者化学气相沉积法。高温直接热解法即氧化石墨烯与杂原子掺杂源在较高温度(通常>800℃)下，含氧官能团裂解产生大量气体，氧化石墨烯在气体的膨胀作用下被还原同时杂原子掺入石墨烯骨架。化学气相沉积法通常利用碳源和杂原子源在金属催化剂的作用下合成出杂原子掺杂的石墨烯，其合成温度通常也>800℃。采用这两种方法，其缺点是：1)操作条件比较苛刻，反应温度高(通常>800℃)，反应时间长；2)还原程度不高，C/O原子比仅为10，因而影响了杂原子掺杂石墨烯的导电性；3)掺杂程度不高，杂原子掺杂量低于10％，且不易控制；4)制备成本高；5)制得的石墨烯片易聚集，由于高比表面积，石墨烯容易由于平面间强的范德华力而聚集。因此，这种石墨烯材料，离子只能在平行于石墨烯平面方向上迁移，而在垂直于其平面方向上的离子迁移速度较低。氧还原主要发生在石墨烯片的边缘，催化剂的实际利用率低，这极大地阻碍了其在电池中的应用。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料的制备方法。本发明采用氧化石墨烯与杂原子掺杂源、金属盐进行混合，再用水热和煅烧方法制备出杂原子掺杂石墨烯复合金属硫化物的电催化剂，通过调节不同浓度的含杂原子化合物和温度参数，可以控制电催化剂中杂原子的掺杂含量、金属硫化物的状态和结构等。本发明的反应温度低、反应时间短，所制备的材料结构可控。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料。本发明所制备的电催化剂比表面积高、电性能好、成本低、氧还原催化活性好。
本发明的再一目的在于提供上述二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料在燃料电池中的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)将氧化石墨烯超声分散于去离子水中，加入有机分散剂吗啉乙磺酸混合均匀得到混合分散液，再加入钴金属盐和硫粉搅拌混合均匀，得到混合液；
(2)将步骤(1)所得混合液转入水热反应器中，在150～180℃水热反应，反应完后冷却至室温，固体产物经洗涤、干燥，得到前驱体固体粉末；
(3)将步骤(2)所得前驱体固体粉末在氮气气氛下，加热至300～600℃煅烧处理，降温后即得到所述二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料。
作为优选，步骤(1)中所述氧化石墨烯是指用Hummers法制备的氧化石墨烯。
作为优选，步骤(1)中所述氧化石墨烯的加入量为10～20mg/mL混合分散液；所述有机分散剂吗啉乙磺酸的加入量为20～30mg/mL混合分散液。
作为优选，步骤(1)中所述的钴金属盐为硝酸钴、乙酸钴中的任意一种。
作为优选，步骤(1)中所述钴金属盐和硫粉的加入量控制在摩尔比为Co:S＝1:5。
作为优选，步骤(2)中所述水热反应的时间为3～5h。
作为优选，步骤(2)中所述洗涤是指先用无水乙醇洗涤2～3次后再用去离子水洗涤2～5次；所述的干燥是指在60～80℃烘箱中干燥。
作为优选，步骤(3)中所述煅烧处理的时间为2～4h。
一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料，通过上述方法制备得到。
作为优选，所述二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料中二硫化钴的质量百分含量为30％～60％，催化材料的颗粒粒径为10～30nm。
上述二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料在燃料电池中的应用。
本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：
(1)由于碳材料具有良好的导电性及其中的骨架作用，使得本发明二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料克服了在电催化过程中单纯金属硫化物导电性差的问题促进电子的快速转移，和有效地缓解其中金属材料的变化从而保持结构的稳定。
(2)由于有机分散剂吗啉乙磺酸的作用，使得材料拥有了均匀大小的纳米结构颗粒，很好的提高了电解液与颗粒物之间的接触面积，从而实现一个较为理想的电催化性能。
(3)本发明的制备方法操作简单、过程易控、成本低廉以及环境友好，能够促进氧还原电极材料的实际应用，实现工业化规模化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1中所得二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料的SEM图。
图2为本发明实施例1中所得二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料的XRD图。
图3为本发明实施例1中所得二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料以及商用Pt催化剂催化氧还原反应的线性扫描曲线图。
图4为本发明实施例1中所得二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料修饰的玻碳电极催化氧还原反应的循环伏安曲线图。
图5为本发明实施例1中所得二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料在不同电位下转移电子数的曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)称取200mg的氧化石墨烯加入到10mL的去离子水中，300W超声清洗器中超声混匀4小时后，得到一个均匀分散液。再称取250mg吗啉乙磺酸(C6H13NO4S，99.0％)加入到上述的分散液中，同样是300W超声清洗器中超声30分钟，搅拌1小时，混合均匀后加入10mL0.38mol L-1硝酸钴(Co(NO3)2,99.0％)和0.608g硫粉搅拌均匀，得到混合液。
(2)将步骤(1)所得混合液转入100mL的水热釜密封钢壳中，在电热恒温鼓风干燥箱中150℃的温度下进行反应3h。待降温到室温后，将水热反应产物固液分离，对于所得固体先用无水乙醇洗涤2次后，再用去离子水洗涤3次，以上洗涤过程全是通过离心机在8000rpm转速下离心2min来实现的，将洗涤获得物放入到恒温干燥箱中60℃下烘干12h，得到干燥的前驱体固体粉末。
(3)将步骤(2)所得前驱体粉末均匀放置在30*60mm的瓷舟内，然后放入到管式炉的恒温区，先通入50min的氮气来排除管炉中的空气，之后在同样氮气氛围下以2℃min-1的升温速率进行升温，升温到425℃后保温2h，最后以3℃min-1的速率降温到400℃后让管式炉自然降温到室温，整个过程中的氮气流量都维持在10mL min-1；最终得到了二硫化钴含量为57.1％的二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料。
图1为本实施例所制得的二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化剂材料的SEM图。从图中可知所得电催化材料是由二硫化钴纳米颗粒负载于硫氮共掺杂石墨烯片所组成，颗粒之间保持良好的分散性且大小分布均匀，尺寸为10～30nm。
图2为本实施例所制得的二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化剂材料的XRD图。从该图中可见，各衍射峰对比PDF卡片得到正是立方晶型结构的二硫化钴，无任何杂峰的出现。本实施例所制得的二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化剂材料中有石墨烯的存在，且在整个材料中起到了支撑的作用。
本实施例所得二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料的电催化性能测试：
(1)称取5mg本实施例制备的二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料滴入1mL体积比为1:1v/v的水/异丙醇混合溶液且含有15μL 0.5wt％全氟聚苯乙烯磺酸溶液，然后超声分散(超声功率为300W)60min，获得分散均匀的墨水，取5μL墨水滴涂到直径为5mm的玻碳电极的表面，电极在室温下干燥后，得到二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料修饰的玻碳电极。
(2)商用Pt/C(购于英国Johnson-Matthey公司，质量比为20wt.％)修饰的玻碳电极制备过程如下：称取5mg商用Pt/C，滴入1mL体积比为1:1v/v的水/异丙醇混合溶液且含有15μL 0.5wt％全氟聚苯乙烯磺酸溶液，然后超声分散(超声功率为300W)60min，获得分散均匀的墨水，取5μL墨水滴涂到直径为5mm的玻碳电极的表面，电极在室温下干燥后，得到商用Pt/C修饰的玻碳电极。
(3)上述得到的修饰电极性能表征采用三电极体系(辅助电极，参比电极，工作电极)，在0.1mol L-1氢氧化钾溶液中进行测试。工作电极为用本发明方法处理得到的二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料修饰的玻碳电极。图3是不同电极在O2饱和的0.1mol L-1氢氧化钾体系中对氧气还原的线性扫描曲线。线1是二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料修饰的玻碳电极的线性扫描曲线，线2是商用Pt/C修饰的玻碳电极的线性扫描曲线。图3表明用本发明方法制备得到的二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料修饰的玻碳电极对氧还原催化活性最好，该催化剂与国际公认的代表性商业化同类催化剂相比，其对氧还原催化活性有明显提高。
图4为本实施例所得二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料修饰的玻碳电极催化氧还原反应的循环伏安曲线。如图所示，比较溶液中充满N2和O2时的曲线，可以清晰的看到在0.96V vs.RHE附近，曲线中有明显的还原峰出现，显示了该二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料所具有的氧还原催化性能。
图5为本实施例所得二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料在不同电位下转移电子数的曲线图。从图中可以看出该催化剂能够有效地还原溶液中的氧，可实现直接4电子过程。
实施例2
(1)称取100mg的氧化石墨烯加入到10mL的去离子水中，300W超声清洗器中超声混匀2小时后，得到一个均匀分散液。再称取200mg吗啉乙磺酸(C6H13NO4S，99.0％)加入到上述的分散液中，同样是300W超声清洗器中超声30分钟，搅拌5小时，混合均匀后加入10mL0.38mol L-1硝酸钴(Co(NO3)2,99.0％)和0.608g硫粉搅拌均匀，得到混合液。
(2)将步骤(1)所得混合液转入100mL的水热釜密封钢壳中，在电热恒温鼓风干燥箱中180℃的温度下进行反应5h。待降温到室温后，将水热反应产物固液分离，对于所得固体先用无水乙醇洗涤3次后，再用去离子水洗涤5次，以上洗涤过程全是通过离心机在8000rpm转速下离心2min来实现的，将洗涤获得物放入到恒温干燥箱中80℃下烘干24h，得到干燥的前驱体固体粉末。
(3)将前驱体粉末均匀放置在30*60mm的瓷舟内，然后放入到管式炉的恒温区，先通入50min的氮气来排除管炉中的空气，之后在同样氮气氛围下以2℃min-1的升温速率进行升温，升温到600℃后保温2h，最后以3℃min-1的速率降温到400℃后让管式炉自然降温到室温，整个过程中的氮气流量都维持在10mL min-1；最终得到了二硫化钴含量为60％的二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料。
本实施例所得二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料修饰的玻碳电极在0.965Vvs.RHE附近呈现明显的氧还原峰，显示了该二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料所具有的氧还原催化性能。
实施例3
(1)称取200mg的氧化石墨烯加入到10mL的去离子水中，300W超声清洗器中超声混匀2小时后，得到一个均匀分散液。再称取300mg吗啉乙磺酸(C6H13NO4S，99.0％)加入到上述的分散液中，同样是300W超声清洗器中超声30分钟，搅拌3小时，混合均匀后加入10mL0.38mol L-1硝酸钴(Co(NO3)2,99.0％)和0.608g硫粉搅拌均匀，得到混合液
(2)将步骤(1)所得混合液转入100mL的水热釜密封钢壳中，在电热恒温鼓风干燥箱中160℃的温度下进行反应3h。待降温到室温后，将水热反应产物固液分离，对于所得固体先用无水乙醇洗涤2次后，再用去离子水洗涤4次，以上洗涤过程全是通过离心机在8000rpm转速下离心2min来实现的，将洗涤获得物放入到恒温干燥箱中80℃下烘干12h，得到干燥的前驱体固体粉末。
(3)将前驱体粉末均匀放置在30*60mm的瓷舟内，然后放入到管式炉的恒温区，先通入50min的氮气来排除管炉中的空气，之后在同样氮气氛围下以2℃min-1的升温速率进行升温，升温到300℃后保温4h，最后以3℃min-1的速率降温到200℃后让管式炉自然降温到室温，整个过程中的氮气流量都维持在10mL min-1；最终得到了二硫化钴含量为30％的二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料。
本实施例所得二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料修饰的玻碳电极在0.958Vvs.RHE附近呈现明显的氧还原峰，显示了该二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化剂材料所具有的氧还原催化性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它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。

Claims (10)

1.一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：
(1)将氧化石墨烯超声分散于去离子水中，加入有机分散剂吗啉乙磺酸混合均匀得到混合分散液，再加入钴金属盐和硫粉搅拌混合均匀，得到混合液；
(2)将步骤(1)所得混合液转入水热反应器中，在150～180℃水热反应，反应完后冷却至室温，固体产物经洗涤、干燥，得到前驱体固体粉末；
(3)将步骤(2)所得前驱体固体粉末在氮气气氛下，加热至300～600℃煅烧处理，降温后即得到所述二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料。
2.根据权利要求1所述的一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述氧化石墨烯是指用Hummers法制备的氧化石墨烯。
3.根据权利要求1所述的一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述氧化石墨烯的加入量为10～20mg/mL混合分散液；所述有机分散剂吗啉乙磺酸的加入量为20～30mg/mL混合分散液。
4.根据权利要求1所述的一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的钴金属盐为硝酸钴、乙酸钴中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述钴金属盐和硫粉的加入量控制在摩尔比为Co:S＝1:5。
6.根据权利要求1所述的一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述水热反应的时间为3～5h；所述洗涤是指先用无水乙醇洗涤2～3次后再用去离子水洗涤2～5次；所述的干燥是指在60～80℃烘箱中干燥。
7.根据权利要求1所述的一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述煅烧处理的时间为2～4h。
8.一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料，其特征在于：通过权利要求1～7任一项所述的方法制备得到。
9.根据权利要求8所述的一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料，其特征在于：所述二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料中二硫化钴的质量百分含量为30％～60％，催化材料的颗粒粒径为10～30nm。
10.权利要求8或9所述的二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料在燃料电池中的应用。
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