CN110061252A - 一种燃料电池阴极氧还原催化剂氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种燃料电池阴极氧还原催化剂氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池阴极氧还原催化剂氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料及其制备方法和应用，先用热处理制备氮硫共掺杂石墨烯，然后在石墨烯表面原位生长氮硫共掺杂碳点，得到氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料。本发明制备的燃料电池阴极氧还原催化剂氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料可应用于甲醇、甲酸、乙醇电氧化以及氧还原反应催化剂。本发明具有成本低、工艺简单、所需设备简单的优点，且易于实现商业化。

Description

一种燃料电池阴极氧还原催化剂氮硫共掺杂石墨烯/碳点复 合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及燃料电池催化剂的领域，具体涉及一种燃料电池催化剂氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料，还涉及该材料的制备方法和应用。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell)是一种高效、环境友好的电化学发电装置，能持续将燃料的化学能转化为电能，是未来可持续能源体系发展的重要目标。燃料电池技术研发已历经数十年，却未能大范围推广，其发展最大因素是成本问题。当前主要是以贵金属铂作为催化剂，加上昂贵的质子交换膜和石墨双极板的加工成本等，导致燃料电池成本居高不下。同时，Pt催化剂在反应过程中受中间产物的影响而失效，存在稳定性和持久性问题。因此，在燃料电池汽车商品化之前，必须大幅降低成本，而这将依赖于电池关键材料价格的降低和性能的进一步提高。
无金属杂原子掺杂的石墨烯等碳纳米材料，用于燃料电池阴极电催化剂广泛的研究，引入杂原子进入到碳纳米材料中能够引起电子调制，来改变电荷分布和电子特性。掺杂引起的缺陷能够进一步改变碳纳米材料的结构，进而改善电催化材料的性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种燃料电池阴极氧还原催化剂氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料的制备方法；本发明的目的之二在于提供由所述的制备方法制得的氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料；本发明的目的之三在于提供所述氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料在制备燃料电池阴极氧还原催化剂中的应用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、一种燃料电池阴极氧还原催化剂氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料的制备方法，具体方法如下：先用热处理制备氮硫共掺杂石墨烯，然后在石墨烯表面原位生长氮硫共掺杂碳点，得到氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料。
本发明中，热处理制备氮硫共掺杂石墨烯的制备方法如下：将胱胺和氧化石墨烯混合，于50～80℃搅拌反应10～20h，过滤冷冻干燥后，然后在氩气气氛下以5～12℃/min的升温速率，升温至500～1000℃并保温2～6h进行热处理，得到氮硫共掺杂石墨烯。
本发明中，所述石墨烯表面原位生长氮硫共掺杂碳点的方法如下：将氮硫共掺杂石墨烯分散于胱胺水溶液中，在150℃～200℃下水热反应4～10小时，离心分离，真空干燥后得到氮硫共掺杂石墨烯/碳点。
作为本发明优选的技术方案，所述胱胺和氧化石墨烯的质量比为10～30：1。
作为本发明优选的技术方案，所述氮硫共掺杂石墨烯和胱胺的质量比为1：4～20。
2、由所述的制备方法制得的氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料。
3、所述氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料在制备燃料电池阴极氧还原催化剂中的应用。优选的，所述催化剂为甲醇、甲酸、乙醇电氧化以及氧还原反应的催化剂。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明利用胱胺作为氮源和硫源，通过热处理和水热反应，分别掺杂石墨烯和碳点，制备氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料作为燃料电池阴极氧还原催化剂。双原子掺杂是在单原子掺杂的基础之上引入第二种活性元素，通过调控不同原子的数量、比例等来改善催化协同作用，达到增强催化剂催化活性的目的。
(2)本发明的工艺简单和成本低，解决了现有制备燃料电池阴极氧还原催化剂的技术中存在的成本昂贵，条件苛刻，工艺复杂的问题。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
一种燃料电池阴极氧还原催化剂氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料的制备方法，具体步骤如下：
将20mg氧化石墨烯分散于20mL去离子水中，超声均匀，随后加入200mg胱胺，于80℃搅拌反应10h，过滤冷冻干燥后，样品放入管式炉中在氩气气氛下以5℃/min的升温速率，升温至800℃并保温3h进行热处理，得到氮硫共掺杂石墨烯。将15mg氮硫共掺杂石墨烯分散于 15mL去离子水中，加入300mg胱胺，搅拌10分钟后，将混合后的溶液转移到50ml的反应釜中，在180℃下反应8小时。反应结束后，自然冷却到室温，然后离心分离，40℃真空干燥过夜，得到氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料。
实施例2
一种燃料电池阴极氧还原催化剂氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料的制备方法，具体步骤如下：
将20mg氧化石墨烯分散于20mL去离子水中，超声均匀，随后加入400mg胱胺，于60℃搅拌反应10h，过滤冷冻干燥后，样品放入管式炉中在氩气气氛下以5℃/min的升温速率，升温至1000℃并保温2h进行热处理，得到氮硫共掺杂石墨烯。将15mg氮硫共掺杂石墨烯分散于 15mL去离子水中，加入150mg胱胺，搅拌10分钟后，将混合后的溶液转移到50ml的反应釜中，在200℃下反应8小时。反应结束后，自然冷却到室温，然后离心分离，40℃真空干燥过夜，得到氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料。
实施例3
一种燃料电池阴极氧还原催化剂氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料的制备方法，具体步骤如下：
将20mg氧化石墨烯分散于20mL去离子水中，超声均匀，随后加入200mg胱胺，于80℃搅拌反应8h，过滤冷冻干燥后，样品放入管式炉中在氩气气氛下以8℃/min的升温速率，升温至 600℃并保温6h进行热处理，得到氮硫共掺杂石墨烯。将15mg氮硫共掺杂石墨烯分散于15mL 去离子水中，加入75mg胱胺，搅拌10分钟后，将混合后的溶液转移到50ml的反应釜中，在150℃下反应10小时。反应结束后，自然冷却到室温，然后离心分离，40℃真空干燥过夜，得到氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种燃料电池阴极氧还原催化剂氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料的制备方法，其特征在于，具体方法如下：先用热处理制备氮硫共掺杂石墨烯，然后在石墨烯表面原位生长氮硫共掺杂碳点，得到氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料。
2.根据权利要求1所述燃料电池阴极氧还原催化剂氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料的制备方法，其特征在于，热处理制备氮硫共掺杂石墨烯的制备方法如下：将胱胺和氧化石墨烯混合，于50～80℃搅拌反应10～20h，过滤冷冻干燥后，然后在氩气气氛下以5～12℃/min的升温速率，升温至500～1000℃并保温2～6h进行热处理，得到氮硫共掺杂石墨烯。
3.根据权利要求1所述燃料电池阴极氧还原催化剂氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯表面原位生长氮硫共掺杂碳点的方法如下：将氮硫共掺杂石墨烯分散于胱胺水溶液中，在150℃～200℃下水热反应4～10小时，离心分离，真空干燥后得到氮硫共掺杂石墨烯/碳点。
4.根据权利要求2所述燃料电池阴极氧还原催化剂氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料的制备方法，其特征在于：所述胱胺和氧化石墨烯的质量比为10～30：1。
5.根据权利要求2所述燃料电池阴极氧还原催化剂氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料的制备方法，其特征在于：所述氮硫共掺杂石墨烯和胱胺的质量比为1：4～20。
6.由权利要求1～5任一项所述的制备方法制得的氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料。
7.权利要求6所述氮硫共掺杂石墨烯/碳点复合材料在制备燃料电池阴极氧还原催化剂中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：所述催化剂为甲醇、甲酸、乙醇电氧化以及氧还原反应的催化剂。
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