CN112645313B - 一种电化学快速批量制备石墨烯基单原子催化剂的方法及其应用 - Google Patents

一种电化学快速批量制备石墨烯基单原子催化剂的方法及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN112645313B
CN112645313B CN202110058368.3A CN202110058368A CN112645313B CN 112645313 B CN112645313 B CN 112645313B CN 202110058368 A CN202110058368 A CN 202110058368A CN 112645313 B CN112645313 B CN 112645313B
Authority
CN
China
Prior art keywords
graphene
monatomic catalyst
taking
sheet
metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110058368.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112645313A (zh
Inventor
于畅
李文斌
邱介山
刘志斌
谭新义
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN202110058368.3A priority Critical patent/CN112645313B/zh
Publication of CN112645313A publication Critical patent/CN112645313A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112645313B publication Critical patent/CN112645313B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/184—Preparation
    • C01B32/19—Preparation by exfoliation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明属于碳基材料制备技术领域，一种电化学快速批量制备石墨烯基单原子催化剂的方法及其应用，其中制备方法包括以下步骤：(1)将金属盐置于去离子水中，均匀搅拌，得到金属盐溶液。(2)以碳源作为工作电极、铂片作为对电极，将步骤1制得的金属盐溶液作为电解液，在两电极体系下，进行电化学活化，得到活化后的石墨烯片。(3)将步骤2得到的石墨烯片采用去离子水反复冲洗，然后置于真空干燥箱中干燥，最终得到石墨烯基单原子催化剂。所述方法制备的石墨烯基单原子催化剂在水分解催化反应中的应用，探究了催化剂在水氧化反应中的催化活性。本发明方法制备的石墨烯基单原子催化剂具有催化活性高、活性物质稳定等优点。

Description

一种电化学快速批量制备石墨烯基单原子催化剂的方法及其 应用
技术领域
本发明涉及一种电化学快速批量制备石墨烯基单原子催化剂的方法及其应用，属于碳基材料制备技术领域。
背景技术
随着能源需求的不断扩大以及环境污染问题的加剧，开发清洁的可再生能源是解决能源与环境问题的有效手段。当前，实现可持续发展的一种重要技术手段是发展新型的电化学储能和转换装置。功能化的先进材料在电化学装置中起着重要的作用，开发先进的功能材料为实现高效、环保、廉价、安全的能源输出技术提供了新方法。单原子催化剂作为新型的纳米材料，具有高稳定性、高原子利用效率、高催化活性和选择性等优异的特性，近年来受到了人们的广泛关注，并且已经成为了催化领域的研究前沿和热点。此外，单原子催化剂既具有均相催化独立活性位点的特性，又具有多相催化易于分离的特点，因此也被认为是连接均相催化和多相催化的桥梁。常见的制备单原子催化剂的主要方法有：原子层沉积、物理或者化学气相沉积、质量分离软着陆法、裂解法、共沉淀法、浸渍法和光化学法等。然而，这些传统的方法通常步骤多、处理复杂、设备昂贵、能耗大、污染环境、不适合大规模生产。因此，建立一种快速、简便、廉价、有利于连续合成、节能的方法来大规模生产单原子催化剂意义重大。
石墨烯具有高的比表面积，良好的机械性能，优异的导热/电能力，极佳的稳定性，是负载单原子催化剂的理想基底材料之一。利用其表面缺陷或者原子空位可调的特性，可以捕获和锚定金属原子，维持催化剂的结构和稳定性，最终可以制备出高稳定、具有可调性质的单原子催化剂。因此，利用石墨烯作为载体制备单原子催化剂具有广阔的发展前景。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种电化学快速批量制备石墨烯基单原子催化剂的方法及其应用。该方法工艺简单、生产周期短、成本低、绿色环保、能够超快制备单原子催化剂，并且可实现大批量生产。所提到的原子包括：铁、钴、镍、铜、锌。所生产的石墨烯基单原子催化剂具有催化活性高、活性物质稳定等优点，在催化领域具有较大的应用潜力。且探究了石墨烯基单原子催化剂在水氧化反应中的催化活性。
为了实现上述发明目的，解决已有技术中所存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种电化学快速批量制备石墨烯基单原子催化剂的方法，包括以下步骤：
步骤1、将0.3-0.8g金属硫酸盐、金属硝酸盐或者金属氯化物置于盛有25mL去离子水的搅拌器中，均匀搅拌5-10min，搅拌器的转速控制在300-500r/min，待金属盐充分溶解后，配制成浓度为0.08-0.1mol/L的金属盐溶液；所述的金属硫酸盐，选自硫酸镍、硫酸亚铁或硫酸钴中的一种，所述的金属硝酸盐，选自硝酸锌，所述的金属氯化物，选自氯化铜；
步骤2、取长为1-10cm、宽为1-10cm的碳源作为工作电极，2×2cm2的铂片作为对电极，将步骤1制得的金属盐溶液作为电解液，在两电极体系下，施加直流电压进行电化学活化，电压设置为5-15V，活化时间控制在1-3min，得到活化后的石墨烯片，所述的碳源，选自石墨箔、石墨片、碳纸或碳布中的一种；
步骤3、将步骤2得到活化后的石墨烯片采用去离子水反复冲洗3-5次，然后置于真空干燥箱中干燥8-12h，干燥温度控制在60-80℃，最终制得目标材料石墨烯基单原子催化剂。
所述方法制备的石墨烯基单原子催化剂在水分解催化反应中的应用。
本发明有益效果是：一种电化学快速批量制备石墨烯基单原子催化剂的方法及其应用，其中制备方法包括以下步骤：(1)将金属盐置于去离子水中，均匀搅拌，待均匀溶解后，得到金属盐溶液。(2)以碳源作为工作电极、铂片作为对电极，将步骤1制得的金属盐溶液作为电解液，在两电极体系下，施加直流电压进行电化学活化，得到活化后的石墨烯片。(3)将步骤2得到活化后的石墨烯片采用去离子水反复冲洗，然后置于真空干燥箱中干燥，最终得到目标材料石墨烯基单原子催化剂。所述方法制备的石墨烯基单原子催化剂在水分解催化反应中的应用，探究了石墨烯基单原子催化剂在水氧化反应中的催化活性。本发明方法工艺简单、制备时间短、成本低、绿色环保、具有普适性，并且可以简单的增大石墨片、石墨箔、碳纸、碳布等碳源的表面积来大规模制备石墨烯基单原子催化剂。利用该方法制备的石墨烯基单原子催化剂具有催化活性高、活性物质稳定等优点，在催化领域具有较大的应用潜力。
附图说明
图1是实施例1中制备的石墨烯基单原子催化剂的扫描电镜照片图。
图2是实施例2中制备的石墨烯基单原子催化剂的高角环形暗场扫描透射电镜照片图。
图3是实施例5中制备的石墨烯基单原子催化剂的析氧极化曲线(LSV)图。
图4是实施例6中制备的石墨烯基单原子催化剂的析氧极化曲线(LSV)图。
图5是实施例7中制备的石墨烯基单原子催化剂的稳定性测试曲线图。
图6是实施例8中制备的石墨烯基单原子催化剂的拉曼光谱图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
称取0.657g NiSO4置于盛有25mL去离子水的搅拌器中，均匀搅拌10min，搅拌器的转速控制在500r/min，待NiSO4充分溶解后，配制成浓度为0.1mol/L NiSO4溶液作为电解液，取长为2.5cm，宽为1cm的石墨箔作为工作电极，2×2cm2的铂片作为对电极，在两电极体系下，施加直流电压进行电化学活化，电压设置为10V，活化时间控制在1.5min，得到活化后的石墨烯片；再将活化后的石墨烯片采用去离子水反复冲洗3次，然后置于真空干燥箱中干燥8h，干燥温度控制在60℃，最终制得目标材料石墨烯基单原子催化剂，其扫描电镜照片图，如图1所示，可以清楚地看到，石墨箔的边缘扩展为多孔疏松的结构，表面被激活形成石墨烯波纹，表明样品具有丰富的边缘位，有利于捕获单原子。
实施例2
称取0.657g NiSO4置于盛有25mL去离子水的搅拌器中，均匀搅拌10min，搅拌器的转速控制在500r/min，待NiSO4充分溶解后，配制成浓度为0.1mol/L NiSO4溶液作为电解液，取长为2.5cm，宽为1cm的碳纸作为工作电极，2×2cm2的铂片作为对电极，在两电极体系下，施加直流电压进行电化学活化，电压设置为10V，活化时间控制在1.5min，得到活化后的石墨烯片。再将活化后的石墨烯片采用去离子水反复冲洗4次，然后置于真空干燥箱中干燥10h，干燥温度控制在70℃，最终制得目标材料石墨烯基单原子催化剂，其高角环形暗场扫描透射电镜照片图，如图2所示，可以清楚的观察到，亮点和单点分布在石墨烯的表面，表明了石墨烯基单原子催化剂的成功制备。
实施例3
称取0.336g CuCl2置于盛有25mL去离子水的搅拌器中，均匀搅拌10min，搅拌器的转速控制在500r/min，待CuCl2充分溶解后，配制成浓度为0.1mol/L CuCl2溶液作为电解液，取长为2.5cm，宽为1cm的石墨片作为工作电极，2×2cm2的铂片作为对电极，在两电极体系下，施加直流电压进行电化学活化，电压设置为10V，活化时间控制在1.5min，得到活化后的石墨烯片。再将活化后的石墨烯片采用去离子水反复冲洗5次，然后置于真空干燥箱中干燥9h，干燥温度控制在75℃，最终制得目标材料石墨烯基单原子催化剂。
实施例4
称取0.474g ZnNO3置于盛有25mL去离子水的搅拌器中，均匀搅拌10min，搅拌器的转速控制在500r/min，待ZnNO3充分溶解后，配制成浓度为0.1mol/L ZnNO3溶液作为电解液，取长为10cm，宽为5cm的碳布作为工作电极，2×2cm2的铂片作为对电极，在两电极体系下，施加直流电压进行电化学活化，电压设置为10V，活化时间控制在1.5min，得到活化后的石墨烯片。再将活化后的石墨烯片采用去离子水反复冲洗5次，然后置于真空干燥箱中干燥11h，干燥温度控制在80℃，最终制得目标材料石墨烯基单原子催化剂。
实施例5
称取0.695g FeSO4置于盛有25mL去离子水的搅拌器中，均匀搅拌10min，搅拌器的转速控制在500r/min，待FeSO4充分溶解后，配制成浓度为0.1mol/L FeSO4溶液作为电解液，取长为2cm，宽为1cm的石墨箔作为工作电极，2×2cm2的铂片作为对电极，在两电极体系下，施加直流电压进行电化学活化，电压设置为10V，活化时间控制在1.5min，得到活化后的石墨烯片。再将活化后的石墨烯片采用去离子水反复冲洗5次，然后置于真空干燥箱中干燥12h，干燥温度控制在80℃，最终制得目标材料石墨烯基单原子催化剂。对所制备的石墨烯基单原子催化剂进行电解水析氧性能测试，所用电化学工作站为上海辰华CHI660E。电解槽为三口瓶状，1M KOH作为电解液，以银/氯化银电极为参比电极，以碳棒为对电极，以0.5cm×0.5cm的所制备的石墨烯基单原子催化剂作为工作电极，构成三电极体系，电压设置为0.2-0.6V，扫速为5mV/s。其析氧极化曲线LSV，如图3所示，当达到10mA cm-2电流密度时，其过电位为430mV。
实施例6
称取0.703g CoSO4置于盛有25mL去离子水的搅拌器中，均匀搅拌10min，搅拌器的转速控制在500r/min，待CoSO4充分溶解后，配制成浓度为0.1mol/L CoSO4溶液作为电解液，取长为2cm，宽为1cm的石墨箔作为工作电极，2×2cm2的铂片作为对电极，在两电极体系下，施加直流电压进行电化学活化，电压设置为10V，活化时间控制在1.5min，得到活化后的石墨烯片。再将活化后的石墨烯片采用去离子水反复冲洗5次，然后置于真空干燥箱中干燥12h，干燥温度控制在80℃，最终制得目标材料石墨烯基单原子催化剂。对所制备的石墨烯基单原子催化剂进行电解水析氧性能测试，所用电化学工作站为上海辰华CHI660E。电解槽为三口瓶状，1M KOH作为电解液，以银/氯化银电极为参比电极，以碳棒为对电极，以0.5cm×0.5cm的所制备的石墨烯基单原子催化剂作为工作电极，构成三电极体系，电压设置为0.2-0.6V，扫速为5mV/s。其析氧极化曲线LSV，如图4所示，当达到10mA cm-2电流密度时，其过电位仅为380mV。
实施例7
称取0.657g NiSO4置于盛有25mL去离子水的搅拌器中，均匀搅拌10min，搅拌器的转速控制在500r/min，待NiSO4充分溶解后，配制成浓度为0.1mol/L NiSO4溶液作为电解液，取长为2.5cm，宽为1cm的石墨箔作为工作电极，2×2cm2的铂片作为对电极，在两电极体系下，施加直流电压进行电化学活化，电压设置为10V，活化时间控制在1min，得到活化后的石墨烯片。再将活化后的石墨烯片采用去离子水反复冲洗5次，然后置于真空干燥箱中干燥12h，干燥温度控制在80℃，最终制得目标材料石墨烯基单原子催化剂。对所制备的石墨烯基单原子催化剂进行循环稳定性测试，所用电化学工作站为上海辰华CHI660E。电解槽为三口瓶状，1M KOH作为电解液，以银/氯化银电极为参比电极，以碳棒为对电极，以0.5cm×0.5cm的所制备的石墨烯基单原子催化剂作为工作电极，构成三电极体系，在100mA/cm2的电流密度下测试200h。其稳定性测试曲线，如图5所示，从图中可以看出，在200h测试中，所制备的石墨烯基单原子催化剂具有良好的循环稳定性，电压基本保持不变。
实施例8
称取0.657g Zn(NO3)2置于盛有25mL去离子水的搅拌器中，均匀搅拌10min，搅拌器的转速控制在500r/min，待Zn(NO3)2充分溶解后，配制成浓度为0.1mol/L Zn(NO3)2溶液作为电解液，取长为3cm，宽为2cm的石墨片作为工作电极，2×2cm2的铂片作为对电极，在两电极体系下施加直流电压进行电化学活化，电压设置为6V，活化时间控制在2min，得到活化后的石墨烯片。再将活化后的石墨烯片采用去离子水反复冲洗5次，然后置于真空干燥箱中干燥12h，干燥温度控制在80℃，最终制得目标材料石墨烯基单原子催化剂，其拉曼光谱图，如图6所示。从图中可以看出，ID:IG值为0.44，证明石墨烯表面被氧化，产生的表面缺陷和活性位点有利于捕获单原子。

Claims (2)

1.一种电化学快速批量制备石墨烯基单原子催化剂的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、将0.3-0.8g金属硫酸盐、金属硝酸盐或者金属氯化物置于盛有25mL去离子水的搅拌器中，均匀搅拌5-10min，搅拌器的转速控制在300-500r/min，待金属盐充分溶解后，配制成浓度为0.08-0.1mol/L的金属盐溶液；所述的金属硫酸盐，选自硫酸镍、硫酸亚铁或硫酸钴中的一种，所述的金属硝酸盐，选自硝酸锌，所述的金属氯化物，选自氯化铜；
步骤2、取长为1-10cm、宽为1-10cm的碳源作为工作电极，2×2cm2的铂片作为对电极，将步骤1制得的金属盐溶液作为电解液，在两电极体系下，施加直流电压进行电化学活化，电压设置在5-15V，活化时间控制在1-3min，得到活化后的石墨烯片，所述的碳源，选自石墨箔、石墨片、碳纸或碳布中的一种；
步骤3、将步骤2得到活化后的石墨烯片采用去离子水反复冲洗3-5次，然后置于真空干燥箱中干燥8-12h，干燥温度控制在60-80℃，制得目标材料石墨烯基单原子催化剂。
2.根据权利要求1所述方法制备的石墨烯基单原子催化剂在水分解催化反应中的应用。
CN202110058368.3A 2021-01-16 2021-01-16 一种电化学快速批量制备石墨烯基单原子催化剂的方法及其应用 Active CN112645313B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110058368.3A CN112645313B (zh) 2021-01-16 2021-01-16 一种电化学快速批量制备石墨烯基单原子催化剂的方法及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110058368.3A CN112645313B (zh) 2021-01-16 2021-01-16 一种电化学快速批量制备石墨烯基单原子催化剂的方法及其应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112645313A CN112645313A (zh) 2021-04-13
CN112645313B true CN112645313B (zh) 2022-05-27

Family

ID=75368373

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110058368.3A Active CN112645313B (zh) 2021-01-16 2021-01-16 一种电化学快速批量制备石墨烯基单原子催化剂的方法及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112645313B (zh)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE1100140A1 (sv) * 2011-03-01 2012-09-02 Joachim Karthaeuser Metoder för att producera metalliserade kolnanopartiklar
CN102887502B (zh) * 2011-07-21 2015-08-26 海洋王照明科技股份有限公司 一种掺氮石墨烯的合成方法
US9840782B2 (en) * 2014-07-17 2017-12-12 Rochester Institute Of Technology Electrochemical process for producing graphene, graphene oxide, metal composites, and coated substrates
US11168404B2 (en) * 2016-02-17 2021-11-09 Global Graphene Group, Inc. Electrochemical method of producing single-layer or few-layer graphene sheets
CN107235485B (zh) * 2016-03-23 2019-09-10 上海新池能源科技有限公司 石墨烯的制备方法
CN106395805B (zh) * 2016-11-30 2018-09-28 中国科学院深圳先进技术研究院 一种石墨烯的制备方法
CN110217784A (zh) * 2019-06-11 2019-09-10 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种高质量石墨烯材料的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112645313A (zh) 2021-04-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111659423B (zh) 一种钴碲双原子位点催化剂的制备方法及应用方法
CN108796551B (zh) 负载在泡沫镍上的海胆状硫化钴催化剂及其制备方法、作为电解水析氧催化剂的应用
CN106868563B (zh) 一种硒化物薄膜修饰泡沫镍电极的制备方法及其应用
CN110438528A (zh) 一种改性泡沫镍负载贵金属催化剂析氢电极及其制备方法
CN110512228B (zh) 一种磷化镍/泡沫镍电化学功能析氢材料的制备方法
CN113430535B (zh) 一种单原子铂复合电催化析氢材料的制备方法
CN109989070B (zh) 三维分级FeP纳米片析氢电催化材料及其制备方法和应用
CN109621981B (zh) 一种金属氧化物-硫化物复合析氧电催化剂及其制备方法和应用
CN114068963B (zh) 过渡金属及其化合物锚定氮掺杂碳催化剂制备方法及应用
CN112481656B (zh) 高选择性电催化甘油氧化转化产甲酸和高效电解水产氢的双功能催化剂及其制备方法与应用
CN112023951A (zh) 一种氧化石墨烯负载镍钴双金属硒化物析氧催化剂及其制备与应用
CN110526235A (zh) 一种通过电化学剥离制备原位氧掺杂三维石墨烯的方法
CN112680745B (zh) 一种限域负载钌纳米团簇的氮化钨纳米多孔薄膜一体化电极及其制备方法和应用
CN114150341A (zh) 一种过渡金属硒化物电催化材料及其制备方法与应用
CN112645313B (zh) 一种电化学快速批量制备石墨烯基单原子催化剂的方法及其应用
CN115261915B (zh) 一种含钴和镍的复合电催化剂及其制备方法和应用
CN108855139B (zh) 一种表面修饰硫掺杂二氧化钛纳米片的钛片、制备方法及其应用
CN108574106B (zh) 自支撑氮掺杂金属催化剂及其制备方法
CN114622243A (zh) 一种Fe掺杂Ni3S2电极材料的制备方法及应用
CN111118564B (zh) 一种镍-氧化镍超薄纳米片材料及其电沉积制备方法和应用
CN114031107A (zh) 一种形貌可控的氧化锌、制备方法及其应用
CN114086202A (zh) 一种用于甘油氧化辅助产氢的非贵金属催化剂
CN114214636B (zh) 一种含硒配体制备钴基纳米片自支撑电极的方法及应用
CN116426951B (zh) 一种叶状阵列非晶相镍氧化物/镍泡沫电极及其制备方法和应用
CN114057216B (zh) 一种金属氧化物及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant