[發(fā)明專(zhuān)利]一種具備高效電催化氧還原性能的ZnO?NiO/rGO復(fù)合材料

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610896450.2
• 申請(qǐng)日: 2016-10-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106654303A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于潔玫;劉宗明;黃太仲;姜潤(rùn)田
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 濟(jì)南大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/90
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/90
• 代理公司: 濟(jì)南泉城專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所37218
• 代理人: 張菡

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具備高效電催化氧還原性能的ZnO-NiO/rGO復(fù)合材料，屬于電催化材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前傳統(tǒng)化石燃料，如石油、天然氣、煤炭的儲(chǔ)量日益減少，與此同時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，對(duì)能源的需求量與日俱增，而且傳統(tǒng)能源造成的大氣污染越發(fā)嚴(yán)重，因此，尋求清潔高效的能源來(lái)取代傳統(tǒng)能源刻不容緩。

1839年首次提出燃料電池的概念，經(jīng)過(guò)幾百年的發(fā)展進(jìn)化，燃料電池近幾年在科研以及商業(yè)應(yīng)用上已經(jīng)勢(shì)不可擋。燃料電池的結(jié)構(gòu)與普通的電池結(jié)構(gòu)類(lèi)似，都具有正負(fù)兩極和不可或缺的電解質(zhì)，不同的是，普通電池的活性成分儲(chǔ)存在電池里面，這種儲(chǔ)存方式會(huì)嚴(yán)重制約電池對(duì)活性成分儲(chǔ)存的多少。與此相反的是，燃料電池僅僅是個(gè)催化轉(zhuǎn)換的場(chǎng)所，其正、負(fù)極并不包括普通電池所需要的活性物質(zhì)。在電池進(jìn)行工作的時(shí)候，氧化劑以及燃料是由外部提供的，反應(yīng)得以順利進(jìn)行。在理論上，有反應(yīng)物持續(xù)的供給，產(chǎn)物的不斷排出，燃料電池就能持續(xù)的發(fā)電，雖然它很像一個(gè)蓄電池，實(shí)際卻是能發(fā)電不可以儲(chǔ)電。燃料電池的特點(diǎn)是可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，因此其負(fù)荷響應(yīng)很快，運(yùn)行質(zhì)量高，是現(xiàn)在最受歡迎的環(huán)境友好型的發(fā)電裝置。與傳統(tǒng)能源相比，使用燃料電池供電供暖，一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)就是全程沒(méi)有二氧化碳的排放，對(duì)減緩溫室效應(yīng)起到了很重要的影響，而且并沒(méi)有傳統(tǒng)能源發(fā)電產(chǎn)生的有害氣體，解決了大氣污染問(wèn)題，因此燃料電池是我們一直尋找的綠色潔凈能源。最近，為了增強(qiáng)電催化劑的耐久性，用氧化物材料取代貴金屬材料的研究已經(jīng)開(kāi)始實(shí)行，而且氧化物還展示了良好的耐腐蝕性和對(duì)活性表面積較低的削弱性。在眾多的可用的氧化物中,納米過(guò)渡金屬氧化物材料良好的催化性能和耐久性吸引了眾多的關(guān)注，其在燃料電池陰極氧還原催化方面擁有優(yōu)異的特性，比如，催化效果好、成本低、抗中毒以及穩(wěn)定性等。

2015年，本案發(fā)明人研究制備出了TiO₂/rGO復(fù)合材料及摻雜有N、F的TiO₂/rGO復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)證明，摻雜有N、F的TiO₂/rGO復(fù)合材料在堿性溶液中具備電催化氧還原反應(yīng)性能，可以作為氧還原反應(yīng)催化劑；而TiO₂/rGO復(fù)合材料在堿性溶液中不具備電催化氧還原反應(yīng)性能，不能作為氧還原反應(yīng)催化劑。雖然，相對(duì)于Pt/C催化劑，摻雜有N、F的TiO₂/rGO復(fù)合材料的催化性能及穩(wěn)定性明顯提高，成本也顯著降低，可以作為Pt/C催化劑的替代材料之一。但現(xiàn)階段，關(guān)于Pt/C催化劑替代材料的研究還有很大的空間，很多價(jià)格低廉、潛能巨大的材料，尤其關(guān)于過(guò)渡金屬氧化物催化材料的研究，仍然處于初步階段，很多有潛能的材料尚未被開(kāi)發(fā)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，提供一種具備高效電催化氧還原性能的ZnO-NiO/rGO復(fù)合材料。

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，雖然沒(méi)有摻雜N、F的TiO₂/rGO復(fù)合材料不具備電催化氧還原反應(yīng)性能，不能作為氧還原反應(yīng)催化劑；但是，沒(méi)有摻雜N、F的ZnO-NiO/rGO復(fù)合材料具備電催化氧還原反應(yīng)性能，能作為氧還原反應(yīng)催化劑。

技術(shù)方案

一種ZnO-NiO/rGO復(fù)合材料，納米ZnO-NiO顆粒附著在還原氧化石墨烯片層上；

ZnO-NiO與rGO的質(zhì)量比為100：3-5，ZnO-NiO中ZnO和NiO的摩爾比為1:1；

納米ZnO-NiO顆粒的尺寸為5-10 nm；

還原氧化石墨烯為單片層；

ZnO-NiO/rGO復(fù)合材料具備電催化氧還原性能；或者說(shuō)，是一種氧還原反應(yīng)催化劑。

本發(fā)明的ZnO-NiO/rGO復(fù)合材料，經(jīng)過(guò)SEM測(cè)試表明，納米ZnO-NiO顆粒均勻的附著在還原氧化石墨烯的表面。ZnO、NiO與rGO三種材料復(fù)合，可以克服單一材料性能單一化的缺點(diǎn)，三者之間的協(xié)同作用使材料的電催化氧還原性能更好。

循環(huán)伏安法(CV)結(jié)果表明，本發(fā)明的ZnO-NiO/rGO復(fù)合材料在氧氣飽和的0.1 M KOH溶液中，電催化氧還原的起始氧化電位在-0.195 V左右，最大氧還原電流可達(dá)到10^-5mA/cm²的數(shù)量級(jí)；具備高效電催化氧還原性能。

時(shí)間電流法測(cè)試表明，經(jīng)過(guò)16000 s的電化學(xué)測(cè)試后，ZnO-NiO/rGO復(fù)合材料的電流密度仍高達(dá)開(kāi)始時(shí)的91%左右，具有非常好的電化學(xué)穩(wěn)定性，而相同實(shí)驗(yàn)條件下商業(yè)Pt(20%)/C僅為開(kāi)始時(shí)的73%左右。