CN109179380A - 一种电催化性能石墨烯及其制备和应用 - Google Patents

一种电催化性能石墨烯及其制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电催化性能石墨烯及其制备和应用，所述石墨烯彼此堆积形成多孔的三维网状结构。制备：首先将分子筛模板浸渍在碳源和浓硫酸的混合液中，让碳源分子充分进入到分子筛的层与层之间，并在低温下预碳化；再在高温、惰性气体的保护下煅烧，然后将复合物中的分子筛模板去除，通过离心分离，并干燥，即得。本发明方法制备的石墨烯具有大的比表面积、高的导电性、可控的二维尺寸和层数，其可以作为燃料电池的阴极催化材料，具有优异的电化学催化活性以及稳定性，且该方法操作简单，成本较低，重现性好，可用于大规模制备。

Description

一种电催化性能石墨烯及其制备和应用
技术领域
本发明属于石墨烯及其制备和应用领域，特别涉及一种电催化性能石墨烯及其制备和应用。
背景技术
石墨烯作为一种由1-10层碳原子组成的二维平面结构超薄纳米材料，自2004年通过“scotch-tape”剥离石墨首次制得以来(2010年获得诺贝尔物理学奖)，因其具有优良的电学、光学和热学性能，在微电子、生物医学、能量贮存和转化、传感器等方面起着十分重要的作用，是一种具有重要应用前景的材料。随着各方面应用发展的需要，对石墨烯的需求量大大增加，对石墨烯的结构和性能要求更高，然而“scotch-tape”剥离法生产的石墨烯，已无法满足工业应用的需要。最近几年新发展的石墨烯的制备方法主要有“top-down”法和“bottom-up”法，然而这些方法生产出的石墨烯质量普遍比较低，主要表现为容易聚集(低比表面积)、引入了一些含氧的基团(导电性低)、二维尺寸以及层数不宜控制等，其应用受到了限制。虽然“化学气相沉积(CVD)”也作为一种有效的“bottom-up”方法，可以将碳氢化合物或者无定形碳转化为高质量的石墨烯，但是这种方法所需要的设备昂贵，石墨烯的产量也较低，并且制备条件要精确控制(否则形成的是石墨晶体而非石墨烯)，这些也限制了石墨烯的生产与应用。针对以上方法的不足之处，在本发明中，首次以层状MCM-22分子筛为模板将无定型碳转化为石墨烯，实现了高质量的石墨烯可控和大规模制备，并且发展了其在燃料电池中的应用。这些将为发展石墨烯的生产与应用以及燃料电池阴极催化剂的制备提供技术基础，具有更重要现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电催化性能石墨烯及其制备和应用，克服现有技术中高质量的石墨烯可控和大规模制备困难及燃料电池阴极氧还原非金属催化剂催化活性低的缺陷，该方法操作简单，绿色环保，成本较低，重现性好，可用于大规模制备。
本发明开发了一种方法操作简单，成本较低，绿色环保的方法来制备石墨烯电化学催化剂，实现了大比表面积、高电导率、快传质速度、丰富活性中心高效氧还原催化剂的大规模简易制备，这些将对燃料电池氧还原(ORR)催化剂的生产与应用提供技术基础，具有更重要现实意义。
本发明的目的还在于提供一种具有高比电容的石墨烯，其具有大的比表面积、高的导电性、可控的二维尺寸和层数，可应用于电化学超级电容器中。
本发明的一种电催化性能石墨烯，其特征在于，所述石墨烯彼此堆积形成多孔的三维网状结构，其孔径在2-100nm。
所述石墨烯BET比表面积100-1000m2g-1。
本发明的一种所述电催化性能石墨烯的制备方法，包括：
(1)将分子筛加入到含有碳源和浓硫酸的混合水溶液中，搅拌均匀，静置，预碳化，然后再次加入含有碳源和浓硫酸的混合水溶液中，静置，预碳化，得到固体；
(2)将上述固体在保护气体下煅烧，然后去除模板，经离心分离、洗涤、干燥，即得电催化性能石墨烯。
上述制备方法的优选方式如下：
所述步骤(1)中分子筛为MCM-22；碳源为蔗糖、葡萄糖或果糖。
所述步骤(1)中MCM-22分子筛、碳源和浓硫酸的质量比为1：(0.5～3)：(0.05～0.3)。
所述步骤(1)中预碳化均为80-200℃，预碳化10-24h。
所述步骤(2)中保护气体为氮气或氩气，煅烧为500-1200℃下煅烧1-6h。
所述步骤(2)中去除模板为采用氢氟酸、氢氧化钠或氢氧化钾进行去除。
所述步骤(2)中离心分离速率为5000-20000rpm/min，离心时间为3～20min；干燥方法为真空冷冻干燥或低温真空干燥，干燥时间为12-72h。
本发明的一种上述方法所制备的电催化性能石墨烯。
本发明的一种电催化性能石墨烯的应用，如用于燃料电池的阴极。
有益效果
(1)本发明无需有机溶剂和稳定剂，无需高温高压，操作简单，重现性好，成本较低，易于生产，可大规模制备；
(2)本发明中所制备的石墨烯催化剂，以MCM-22分子筛为模板，可以充分利用其多孔结构及微小的层间距使蔗糖分子有效的填充，并且可以通过调节所添加碳源的量及预碳化的次数控制填充的厚度及层数；
(3)本发明中所制备的石墨烯催化剂，由超薄的石墨烯片层组成，是具有高比表面积、丰富的活性位点、高导电性的三维网络结构，其为1-10层的石墨烯纳米片，二维尺寸分布为65-650nm，BET和Langmuir比表面积分别为100-1000m2g-1和200-2000m2g-1，导电性为20-150S m-1，氧还原电催化活性为2.5-5.1mA cm-2，可应用于应用于燃料电池的阴极；
(4)本发明所制备的一种具有高效氧化还原电催化性能的石墨烯，具有高效氧还原催化活性(电流密度高达5.1mA cm-2)和稳定性(在经过500个循环后，其电流活性密度下降较少；经过10000s的计时电流测试后，电流密度衰减较少且保持较高的电流密度3.5mAcm-2及更优异的抗甲醇稳定性能)，并且接近目前商业化的Pt/C催化剂的催化性能(电流密度高达6.05mA cm-2)。
附图说明
图1为实施例1所制备样品的TEM图，显示石墨烯是三维网络结构；
图2为实施例1所制备样品的TEM图，显示出实施例1所制备的样品石墨烯是由超薄石墨烯片层组成；
图3为实施例1所制备样品的TEM图，显示出典型的石墨化晶格结构；
图4是实施例2中所制备的样品的XRD图；
图5是实施例3中所制备的样品的拉曼光谱图；
图6是实施例4中所制备的样品的在298K时的N2吸附-解吸等温线(A)和孔径分布曲线(B)；
图7是实施例5中所制备的样品的XPS图；
图8是实施例6中所制备的样品分别在N2、O2饱和的0.1M KOH溶液中的循环伏安测试图(CV)；
图9中(A)是实施例7中所制备的样品在O2饱和的0.1M KOH溶液中不同旋转速度下的线性扫描伏安(LSV)，(B)是不同电位下对应的K-L曲线；
图10中(A)是实施例8中所制备的样品与商业化Pt/C催化剂在O2饱和的0.1M KOH溶液中转速为1600rpm下的LSV曲线；(B)是两种催化剂对应的第一个循环(-1)与1000个循环(-1000)后的LSV对比曲线；
图11中(A)是实施例1中所制备的样品与商业化Pt/C催化剂在O2饱和的0.1M KOH溶液中转速为1600rpm下的计时电流曲线(I-T)；(B)是两种催化剂对应的抗甲醇稳定性测试曲线；
注：图1、图2、图3是实施例1中所制备的样品在不同放大倍数下的TEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。下述实施例中所使用的MCM-22分子筛(Na型)通过水热法制备，是由片层组成的花状结构，BET比表面积为500～700m2g-1，孔径尺寸约为0.8nm。
实施例1
将1g MCM-22分子筛模板加入到含有0.725g蔗糖、50μl浓硫酸和3ml水的混合溶液中，搅拌均匀，静置6h后，于160℃下预碳化18h，然后再次加入0.435g蔗糖、30μl浓硫酸和3ml水的混合溶液，搅拌均匀，静置6h，于160℃下预碳化18h，得到固体粉末；将固体粉末放入管式炉中，通Ar在900℃下煅烧1h后取出，得到MCM-22/石墨烯复合材料；加入1.2L NaOH(4mol/L)溶液，在60℃下搅拌6h，在11000rpm/min转速下离心分离3min，并用水、乙醇洗至中性，冷冻干燥36h，即可得石墨烯粉末。
图1表明：实施例1所制备的石墨烯是三维网络结构；图2显示出实施例1所制备的样品石墨烯是由超薄石墨烯片层组成；图3显示出典型的石墨化晶格结构。
实施例2
将0.4g MCM-22分子筛模板加入到含有0.29g果糖、20μl浓硫酸和1.2ml水的混合溶液中，搅拌均匀，静置6h后，于160℃下预碳化18h，然后再次加入0.174g果糖、12μl浓硫酸和1.2ml水的混合溶液，搅拌均匀，静置6h，于160℃下预碳化18h，得到固体粉末；将固体粉末放入管式炉中，通Ar在900℃下煅烧1h后取出，得到MCM-22/石墨烯复合材料；加入0.6LNaOH(4mol/L)溶液，在60℃下搅拌6h，在11000rpm/min转速下离心分离5min，并用水、乙醇洗至中性，冷冻干燥24h，即可得石墨烯粉末。
图4表明：实施例2所制备的石墨烯具有高度石墨化结构。
实施例3
将5g MCM-22分子筛模板加入到含有3.625g葡萄糖、250μl浓硫酸和15ml水的混合溶液中，搅拌均匀，静置6h后，于160℃下预碳化18h，然后再次加入2.175g蔗糖、150μl浓硫酸和15ml水的混合溶液，搅拌均匀，静置6h，于160℃下预碳化18h，得到固体粉末；将固体粉末放入管式炉中，通Ar在900℃下煅烧1h后取出，得到MCM-22/石墨烯复合材料；加入7.5LNaOH(4mol/L)溶液，在60℃下搅拌6h，在11000rpm/min转速下离心分离10min，并用水、乙醇洗至中性，冷冻干燥48h，即可得石墨烯粉末。
图5表明：实施例3所制备的石墨烯表面存在大量的缺陷位点，为催化剂的丰富活性位点的存在提供了可能。
实施例4
将0.5g MCM-22分子筛模板加入到含有0.3g蔗糖、25μl浓硫酸和2ml水的混合溶液中，搅拌均匀，静置4h后，于100℃下预碳化12h，然后再次加入0.2g蔗糖、15μl浓硫酸和2ml水的混合溶液，搅拌均匀，静置4h，于160℃下预碳化12h，得到固体粉末；将固体粉末放入管式炉中，通N2在1100℃下煅烧2h后取出，得到MCM-22/石墨烯复合材料；加入0.6L NaOH(4mol/L)溶液，在80℃下搅拌6h，在8000rpm/min转速下离心分离3min，并用水、乙醇洗至中性，冷冻干燥36h，即可得石墨烯粉末。
图6表明：实施例4所制备的石墨烯具有较大的比表面积以及丰富的介孔结构，其BET比表面积为619m2g-1，孔径分布主要为微孔和部分介孔(10-45nm)结构。
实施例5
将0.3g MCM-22分子筛模板加入到含有0.2g葡萄糖、15μl浓硫酸和1ml水的混合溶液中，搅拌均匀，静置6h后，于130℃下预碳化12h，然后再次加入0.1g葡萄糖、15μl浓硫酸和1ml水的混合溶液，搅拌均匀，静置6h，于150℃下预碳化18h，得到固体粉末；将固体粉末放入管式炉中，通Ar在800℃下煅烧4h后取出，得到MCM-22/石墨烯复合材料；加入0.3L NaOH(4mol/L)溶液，60℃下搅拌6h，在12000rpm/min转速下离心分离4min，并用水、乙醇洗至中性，60℃真空干燥48h，即可得石墨烯粉末。
图7表明：实施例5所制备的石墨烯主要由C、N、O三种元素组成。
实施例6
将2.5g MCM-22分子筛模板加入到含有1.5g蔗糖、100μl浓硫酸和6ml水的混合溶液中，搅拌均匀，静置5h后，于150℃下预碳化20h，然后再次加入0.9g蔗糖、60μl浓硫酸和6ml水的混合溶液，搅拌均匀，静置5h，于150℃下预碳化20h，得到固体粉末；将固体粉末放入管式炉中，通Ar在700℃下煅烧1h后取出，得到MCM-22/石墨烯复合材料；加入2.5L KOH(4mol/L)溶液，70℃下搅拌5h，在10000rpm/min转速下离心分离5min，并用水、乙醇洗至中性，冷冻干燥30h，即可得石墨烯粉末。
图8表明：实施例6所制备的石墨烯在O2饱和的0.1M KOH溶液中，具有明显的氧还原催化活性。
实施例7
将1g MCM-22分子筛模板加入到含有0.7g葡萄糖、50μl浓硫酸和3ml水的混合溶液中，搅拌均匀，静置6h后，于160℃下预碳化18h，然后再次加入0.435g蔗糖、30μl浓硫酸和3ml水的混合溶液，搅拌均匀，静置6h，于160℃下预碳化18h，得到固体粉末；将固体粉末放入管式炉中，通Ar在900℃下煅烧1h后取出，得到MCM-22/石墨烯复合材料；加入50mL HF(1mol/L)溶液，40℃下搅拌2h，在9000rpm/min转速下离心分离8min，并用水、乙醇洗至中性，50℃真空干燥72h，即可得石墨烯粉末。
图9表明：实施例7所制备的石墨烯在不同电位下所得到的K-L曲线均呈线性，且经计算其电子数为2.9-3.6e-，可认为在氧化还原过程中所发生的反应接近为为四电子反应过程。
实施例8
将0.2g MCM-22分子筛模板加入到含有0.145g蔗糖、10μl浓硫酸和1ml水的混合溶液中，搅拌均匀，静置6h后，于160℃下预碳化18h，然后再次加入0.01g蔗糖、10μl浓硫酸和1ml水的混合溶液，搅拌均匀，静置6h，于160℃下预碳化18h，得到固体粉末；将固体粉末放入管式炉中，通Ar在800℃下煅烧1h后取出，得到MCM-22/石墨烯复合材料；加入10mL HF(1mol/L)溶液，室温下搅拌1h，在10000rpm/min转速下离心分离5min，并用水、乙醇洗至中性，冷冻干燥40h，即可得石墨烯粉末。
图10表明：与商业化Pt/C相比，实施例8所制备的石墨烯具有优异的氧还原催化活性,电流密度高达5.1mA cm-2(A)，且稳定性较好(在经过500个循环后，其电流活性密度下降较少)(B)；图11表明：实施例8所制备的石墨烯不仅具更好的计时电流稳定性，经过10000s的计时电流测试后，电流密度仅衰减11％且保持较高的电流密度3.5mA cm-2，而Pt/C衰减25％(A)且具有更优异的抗甲醇稳定性(B)。

Claims (10)

1.一种电催化性能石墨烯，其特征在于，所述石墨烯彼此堆积形成多孔的三维网状结构，其孔径在2-100nm。
2.根据权利要求1所述石墨烯，其特征在于，所述石墨烯BET比表面积100-1000m2/g。
3.一种如权利要求1所述电催化性能石墨烯的制备方法，包括：
(1)将分子筛加入到含有碳源和浓硫酸的混合水溶液中，搅拌均匀，静置，预碳化，然后再次加入含有碳源和浓硫酸的混合水溶液中，静置，预碳化，得到固体；
(2)将上述固体在保护气体下煅烧，然后去除模板，经离心分离、洗涤、干燥，即得电催化性能石墨烯。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中分子筛为MCM-22；碳源为蔗糖、葡萄糖或果糖。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中MCM-22分子筛、碳源和浓硫酸的质量比为1：(0.5～3)：(0.05～0.3)。
6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中预碳化均为80-200℃，预碳化10-24h。
7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中保护气体为氮气或氩气，煅烧为500-1200℃下煅烧1-6h。
8.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中离心分离速率为5000-20000rpm/min，离心时间为3～20min；干燥方法为真空冷冻干燥或低温真空干燥，干燥时间为12-72h。
9.一种权利要求3的方法所制备的电催化性能石墨烯。
10.一种电催化性能石墨烯的应用。
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