[發明專利]一種Pt/三維石墨烯復合催化劑的制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201410525090.6
• 申請日: 2014-10-08
• 公開（公告）號: CN104258848A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發明（設計）人: 王宗花;史國玉;夏建飛;張菲菲;畢賽;桂日軍;楊敏;夏霖;李延輝;夏延致;夏臨華
• 申請（專利權）人: 青島大學
• 主分類號: B01J23/42
• 分類號: B01J23/42;B01J35/04;H01M4/90;H01M4/92
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 崔苗苗

技術領域

本發明涉及復合催化劑制備領域，特指一種Pt/三維石墨烯復合催化劑的制備方法及其應用

背景技術

直接甲醇燃料電池(DMFC)由于具有能量密度高、環境友好、便于攜帶與儲存等優點，因此在移動電源、便攜式電子產品電源等領域具有廣闊的應用前景，但陽極催化劑高昂的成本和低的催化活性等缺點限制了其實際應用。為了提高Pt的利用率，增強其催化活性，使用碳材料負載Pt催化劑是一種有效的策略。其中Vulcan?XC-72R型炭黑由于其較大的比表面積，高的導電性以及低廉的價格而受到廣泛研究和應用。近年來，許多新興的碳納米材料如碳納米管、碳纖維以及介孔碳等也被用作燃料電池催化劑載體，并展現出廣闊的應用前景。石墨烯(GN)，由于其無與倫比的比表面積及導電性，而引領了新一輪的碳納米材料研究熱潮。以石墨烯作為燃料電池催化劑載體，也展現出了優異的特性。但石墨烯片層在范德華力的作用下易于團聚，從而降低了其活性表面積和應用穩定性。而三維多孔石墨烯由于其特殊的空間結構，大大降低了石墨烯的團聚效應，從而保持了較高的催化活性表面積。但基于目前的研究，高性能三維石墨烯復合材料的可控制備仍是具有挑戰性的課題。

發明內容

為實現上述目的，本發明采用一種兩性表面活性劑調控合成了Pt/三維多孔石墨烯復合材料(Pt/3D?GN)，并進一步研究了該復合材料對甲醇的催化氧化性能。兩性表面活性劑是一種特殊的功能材料，它不僅具有表面活性劑的屬性，而且其表面電性可隨溶液pH發生改變，因此可作為一種智能試劑調控復合材料的合成。根據文獻調研，這是首次采用兩性表面活性劑輔助合成三維石墨烯基復合材料。

本發明采用如下技術方案：

一種Pt/三維石墨烯復合催化劑的制備方法，以兩性表面活性劑輔助合成三維石墨烯并負載Pt；并包括以下步驟：

a)制備氧化石墨烯；

b)將氧化石墨烯分散在乙二醇-水溶液中，攪拌30min后加入兩性表面活性劑，攪拌60min，調節pH值在10.5～11.5之間，超聲處理2h；

c)向超聲后的分散有所述氧化石墨烯的溶劑中逐滴攪拌加入H₂PtCl₆水溶液；

d)將上述溶液體系轉移到不銹鋼水熱反應釜中，在140～180℃條件下反應5～9h，到達預定反應時間后，取黑色沉淀，洗滌，真空干燥，即得Pt/三維石墨烯復合催化劑。

優選的是，步驟b)中所述乙二醇-水溶液中乙二醇和水的體積比為1：1，所述氧化石墨烯與乙二醇-水溶液的質量比為1:1000，所述表面活性劑與氧化石墨烯的質量比為3～8:1，所述兩性表面活性劑的質量濃度為5％。

進一步的，步驟b)中所述表面活性劑與氧化石墨烯的質量比為5:1。

更進一步的，步驟b)中所述的pH值為11。

最優的是，步驟b)中所述的兩性表面活性劑為十二烷基氨基丙酸鈉水溶液。

優選的是，步驟c)中所述的反應溫度為160℃。

優選的是，其特征是，步驟d)中所述的反應時間為7h。

更優選的，步驟d)中所述的真空干燥處理條件為在60℃下真空干燥24h。

根據上述任一方法制備的Pt/三維石墨烯復合催化劑。

本發明提供了根據上述方法制備的Pt/三維石墨烯復合催化劑作為直接甲醇燃料電池高效陽極催化劑的應用。

該復合材料的合成設計思路如圖1所示：

首先該表面活性劑在水溶液的狀態下呈酸性并顯示正電性，而氧化石墨烯(GO)在水溶液中顯示負電性，因此二者混合后，在靜電力的作用下，表面活性劑分子會進入到GO片層間，從而增加了GO片層間距。通過加入NaOH，將溶液pH調節到堿性，此時表面活性劑的電性便會發生改變，呈負電性，在靜電排斥力的作用下，GO片層間距進一步增加，層間作用力大大削弱，通過超聲，即可實現有效剝離。更為重要的是，在親水力的作用下，表面活性劑的親水端會環聚在GO親水表面，形成膠束，并進一步調節了GO的組成和排列。最后加入Pt前驅體，通過一步還原過程，最終制得Pt/三維石墨烯復合材料。

本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點：

1.采用一種兩性表面活性劑調控合成了Pt/三維多孔石墨烯復合材料(Pt/3D?GN)，并進一步研究了該復合材料對甲醇的催化氧化性能。根據文獻調研，這是首次采用兩性表面活性劑輔助合成三維石墨烯基復合材料。