CN111987327A - 一种负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯及其制备方法 - Google Patents

一种负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯及其制备方法，一种负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯及其制备方法，具体地，先将在氧化石墨烯分散液中加入氮源，超声、搅拌均匀，得到溶液A，再转移到高压反应釜内衬中，采用水热法160‑200℃，反应12‑24h，经抽滤洗涤、真空干燥得到N‑GO，再将其分散在去离子水中，加入乙酸钴和氯亚铂酸钾，超声搅拌均匀，在冰浴条件下，慢慢滴加硼氢化钠，直至没有气泡产生，得到溶液B，转移到高压反应釜内衬中，采用水热法160‑200℃，反应12‑24h，经离心洗涤、真空干燥即得到负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯，该制备工艺简单、能耗低、环保无毒，制备的负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯可以用于燃料电池领域。

Description

一种负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯及其制备方法
技术领域
本发明掺杂石墨烯技术领域，具体涉及一种负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯及其的制备方法。
背景技术
石墨烯是一种由单层碳原子堆叠而成的具有蜂窝状结构的新型碳材料，因其具有极高的比表面积和优秀的电学、光学、热学和机械性能，在锂电池、超级电容器、燃料电池等领域存在巨大的潜在应用。石墨烯材料成为目前研究的热点，展现了广阔的应用前景
据报道，对于催化剂的应用来说，向石墨烯中掺杂例如 N、S、P和B代替碳原子可以有效地修饰石墨烯的供电子属性，因此可以增加其催化活性，尤其是N原子和S原子。N 原子（χ=3.04）的电负性比 C 原子（χ=2.55）高，因此，掺杂 N 原子可有效地造成独特的电子结构来修饰石墨烯的电子性能和化学活性，从而提高石墨烯复合材料的电化学性能。为了提高氮掺杂石墨烯基催化材料的催化活性，加入过渡金属也是一个有效可行的方法。尽管过渡金属在活性位点结构中的所起的作用仍存在争议，但是大家都普遍认为含有金属的催化剂比非金属催化剂的性能更好。因此，将氮掺杂石墨烯上负载过渡金属Co和贵金属Pt,可以进一步提高石墨烯复合材料的电化学性能。
目前的碳材料掺杂方法一般有化学气相沉积(CVD)、电弧放电法、等离子处理等方法，但是这些方法往往具有耗能高、工艺复杂或者具有一定毒性等特点。采用温和水热法制备氮掺杂石墨烯和石墨烯复合材料，对于制备高性能的电极材料具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯及其制备方法，该制备工艺简单、能耗低、环保无毒，制备的负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯可以用于燃料电池领域。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯的制备方法，具体包括以下步骤：
1）配制氧化石墨烯分散液，超声预处理；
2）在氧化石墨烯分散液中加入氮源，超声、搅拌均匀，得到溶液A；
3）将溶液A转移到高压反应釜内衬中，采用水热法160-200℃，反应12-24h，将反应后的产物，抽滤洗涤，40-60℃下真空干燥，将得到的黑色固体命名为N-GO；
4）将N-GO分散在去离子水中，加入乙酸钴和氯亚铂酸钾，超声搅拌均匀，在冰浴条件下，慢慢滴加硼氢化钠，直至没有气泡产生，得到溶液B；
5）将溶液B转移到高压反应釜内衬中，采用水热法160-200℃，反应12-24h；
6）将反应后的产物，离心洗涤，真空干燥即得到负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯。
进一步地，步骤1）中所述氧化石墨烯分散液的浓度为0 .1～10mg/mL，超声预处理的时间为10min～1h。
进一步地，步骤2）中所述氮源的质量与氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯固含量的质量之比为1∶0 .1～1∶1。
进一步地，步骤3）中水热法采用的是岩征微型反应釜YZPR100(M)，装填度为30％～80％，先通氩气或者氮气15-30min，搅拌速度在200r-500r。
进一步地，所述乙酸钴和氯亚铂酸钾的质量之比为1∶0 .1～1∶1。
进一步地，步骤4）中滴加的硼氢化钠速率为1-2mL/min。
本发明还可将载体换成氮硫掺杂石墨烯见实施例4，然后再用后续方法负载PtCo纳米粒子。
附图说明
图1为实施例1中氮掺杂石墨烯的SEM图；
图2为实施例1中氮掺杂石墨烯的XPS图；
图3为实施例1中PtCo-NGO的TEM图；
图4为实施例1中PtCo-NGO的XPS图；
图5为实施例1中PtCo-NGO和40%Pt/C在0.1M KOH溶液中，饱和氧气条件下测试的CV曲线图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，通过实例进一步说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
1.配制50ml浓度为1mg/ml的氧化石墨烯分散液，称量50mg氧化石墨分散在50ml去离子水中，超声分散30min。
2.加入0.5g尿素，再超声30min，并且搅拌均匀后，倒入100ml内衬中。
3.将反应釜搭好，通30min氩气，水热法设定温度为180℃，反应时间12h，搅拌速度200r。
4.将水热反应后的产物，抽滤，洗涤，在60℃真空干燥，得到氮掺杂石墨烯，简称N-GO；图1为氮掺杂石墨烯的SEM图，图2为氮掺杂石墨烯的XPS图。
5.将NGO分散在去离子水中，加入一定量的乙酸钴和氯亚铂酸钾，超声15min。
6.在冰浴条件下，慢慢滴加硼氢化钠，直至没有气泡产生。
7.将反应完的混合液倒入100ml内衬中，高压釜内先通氩气排气30min，搅拌速率200r/min，反应温度180℃，反应时间12h。
8.将反应后的混合液洗涤离心干燥，得到负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯，命名为PtCo-NGO。图3为PtCo-NGO的TEM图，图4为PtCo-NGO的XPS图。图5为PtCo-NGO和40%Pt/C在0.1M KOH溶液中，饱和氧气条件下测试的CV曲线图。
由TEM图像可知，有明显的片状石墨烯结构，石墨烯上面有明显的颗粒，说明一定是有物质掺杂到了石墨烯上。由PtCo-NGO的 XPS数据图，可以得到主要元素还是C和O，Pt和Co的峰也很明显，由XPS的各种峰可以知道，Pt和Co纳米粒子负载到了氮掺杂石墨烯上。由图5，在0.1M KOH溶液中，饱和氧气条件下测试的CV曲线图可以看出，PtCo-NGO与40%商业Pt/C催化剂一样，具有催化效果。
实施例2
1.配制50ml浓度为1mg/ml的氧化石墨烯分散液，称量50mg氧化石墨分散在50ml去离子水中，超声分散30min。
2.加入0.5g三聚氰胺，再超声30min，并且搅拌均匀后，倒入100ml内衬中。
3.将反应釜搭好，通30min氩气，水热法设定温度为180℃，反应时间12h，搅拌速度200r。
4.将水热反应后的产物，抽滤，洗涤，在60℃真空干燥，得到氮掺杂石墨烯，简称N-GO。
5.将NGO分散在去离子水中，加入一定量的乙酸钴和氯亚铂酸钾，超声15min。
6.在冰浴条件下，慢慢滴加硼氢化钠，直至没有气泡产生。
7.将反应完的混合液倒入100ml内衬中，高压釜内先通氩气排气30min，搅拌速率200r/min，反应温度180℃，反应时间12h。
8.将反应后的混合液洗涤离心干燥，得到负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯，命名为PtCo-NGO。
实施例3
1. 用电子天平分别称取1.25g三聚氰胺和0.0626gGO，称取的粉末分别分散在装有50mL乙二醇的烧杯中，超声30min至溶液均匀。
2. 用稀硝酸调节三聚氰胺分散液的pH大致到2.0，然后将GO分散液加入三聚氰胺分散液中，用磁力搅拌器搅拌6h。
3. 搅拌后的混合溶液用去离子水和无水乙醇抽滤洗涤，抽滤洗涤后的得到样品放置在60℃的真空烘箱中烘干。
4. 干燥后的样品需要在氩气为保护气的管式炉中煅烧，升温速率不得超过5℃/min，在900℃下煅烧2h，降至室温后得到最终样品NGO。
5.将NGO分散在去离子水中，加入一定量的乙酸钴和氯亚铂酸钾，超声15min。
6.在冰浴条件下，慢慢滴加硼氢化钠，直至没有气泡产生。
7.将反应完的混合液倒入100ml内衬中，高压釜内先通氩气排气30min，搅拌速率200r/min，反应温度180℃，反应时间12h。
8.将反应后的混合液洗涤离心干燥，得到负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯，命名为PtCo-NGO。
实施例4
1.配制50ml浓度为1mg/ml的氧化石墨烯分散液，称量50mg氧化石墨分散在50ml去离子水中，超声分散30min。
2.加入1.5g硫脲，再超声30min，并且搅拌均匀后，倒入100ml内衬中。
3.将反应釜搭好，通30min氩气，水热法设定温度为180℃，反应时间12h，搅拌速度200r。
4.将水热反应后的产物，抽滤，洗涤，在60℃真空干燥，得到氮掺杂石墨烯，简称N,S-GO。
5.将N,S-GO分散在去离子水中，加入一定量的乙酸钴和氯亚铂酸钾，超声15min。
6.在冰浴条件下，慢慢滴加硼氢化钠，直至没有气泡产生。
7.将反应完的混合液倒入100ml内衬中，高压釜内先通氩气排气30min，搅拌速率200r/min，反应温度180℃，反应时间12h。
8.将反应后的混合液洗涤离心干燥，得到负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯，命名为PtCo-N,S-GO。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
1）配制氧化石墨烯分散液，超声预处理；
2）在氧化石墨烯分散液中加入氮源，超声、搅拌均匀，得到溶液A；
3）将溶液A转移到高压反应釜内衬中，采用水热法160-200℃，反应12-24h，将反应后的产物，抽滤洗涤，40-60℃下真空干燥，将得到的黑色固体命名为N-GO；
4）将N-GO分散在去离子水中，加入乙酸钴和氯亚铂酸钾，超声搅拌均匀，在冰浴条件下，慢慢滴加硼氢化钠，直至没有气泡产生，得到溶液B；
5）将溶液B转移到高压反应釜内衬中，采用水热法160-200℃，反应12-24h；
6）将反应后的产物，离心洗涤，真空干燥即得到负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯。
2.根据权利要求1所述的负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述氧化石墨烯分散液的浓度为0 .1～10mg/mL，超声预处理的时间为10min～1h。
3.根据权利要求1所述的负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤2）中所述氮源的质量与氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯固含量的质量之比为1∶0 .1～1∶1。
4.根据权利要求1所述的负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤3）中水热法采用的是岩征微型反应釜YZPR100(M)，装填度为30％～80％，先通氩气或者氮气15-30min，搅拌速度在200r-500r。
5.根据权利要求1所述的负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于：所述乙酸钴和氯亚铂酸钾的质量之比为1∶0 .1～1∶1。
6.根据权利要求1所述的负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤4）中滴加的硼氢化钠速率为1-2mL/min。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的制备方法制得的负载Pt/Co纳米粒子的氮掺杂石墨烯。
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