[發明專利]一種通過電化學剝離制備原位氧摻雜三維石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201810502069.2
• 申請日: 2018-05-23
• 公開（公告）號: CN110526235B
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發明（設計）人: 侯陽;雷超君;楊彬;楊建;雷樂成
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19;C25B1/04;C25B11/075
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

本發明公開了一種通過電化學剝離制備原位氧摻雜三維石墨烯的方法，包括：石墨片經預處理后，進行液氮冷凍、物理膨脹處理后得膨脹石墨片；將膨脹石墨片通過電化學剝離方法轉化為原位氧摻雜三維石墨烯材料；電剝離用電解液為氧化性酸電解液。該方法制備工藝路線簡短、所需設備簡單、原料價格低廉、制備周期短；本發明制備方法提供的原位氧摻雜三維石墨烯可直接生長于石墨烯材料表面，非粉體材料，可直接用作電極材料，無需二次制備電極；且在酸性電解液中，其陽極過電勢低至268mV，兼具高效的催化活性和良好的穩定性，此外，相比于貴金屬催化劑，通過電化學剝離制備原位氧摻雜三維石墨烯材料還具有明顯的成本優勢，適合工業化生產。

技術領域

本發明屬于電化學材料領域，具體涉及一種通過電化學剝離制備原位氧摻雜三維石墨烯的方法。

背景技術

水裂解制備氫氣和氧氣是公認的最具潛力的能源轉化技術，是解決能源危機和環境污染的重要手段。相比于化石燃料產氫、風能制氫等其他能源轉化技術，電催化水裂解制氫具有清潔、連續、高效等特點。但過低的能源轉化效率限制了其應用化的發展，究其根本在于陽極材料存在較高的過電勢。

目前，水裂解產氫反應在酸性環境下產氫效率更高，而酸性環境不利于陽極材料產氧反應，且對大部分高效陽極催化劑具有腐蝕毒化作用、會抑制其催化活性；同時，利用陽極催化水電解產氧反應是一個四電子過程，動力學緩慢，需要更多的過電勢用于克服阻力。進一步提高酸性水裂解OER催化劑材料的過電勢，將會導致其材料穩定性差。目前主要的解決方法為采用以銥，銣為代表的貴金屬催化劑作為酸性電解水陽極材料，盡管該類材料兼具優異的催化性能和穩定性，但其昂貴的成本限制了其工業化的應用。非貴金屬催化劑如鎢，鋇，鐵，鈷，鎳等，盡管其成本低廉，但是在酸性環境下無法兼顧催化活性和穩定性，通常存在穩定性好的催化材料活性低，活性高的催化材料穩定性差的問題，同樣也限制了其發展。

氧摻雜石墨烯兼具了催化性能、成本和穩定性三個優點。現有技術所報道的氧摻雜石墨烯，通常采用高錳酸鉀和濃硫酸氧化的方法(CN107879337A)，存在易爆炸和制備周期長等問題。其他氧摻雜石墨烯制備技術，包括等離子體法、高溫煅燒法和電解法等(CN107601488A，CN107311165A)，存在著氧摻雜含量低、設備復雜、生產成本較高等問題，也難以實現工業化。

此外，目前所報道的氧摻雜石墨烯材料多是粉體材料，需要進行二次制備成為電極，工藝復雜，且引入的粘合劑材料會降低導電性，抑制其催化性能。

如何克服現有氧摻雜石墨烯技術中制備周期長、成本高、氧摻雜量低等問題，成為行業內亟待解決的問題。

發明內容

本發明提供一種通過電化學剝離制備原位氧摻雜三維石墨烯的方法，該方法工藝路線簡短、所需設備簡單、原料價格低廉、制備周期短，適合大規模生產。

一種通過電化學剝離制備原位氧摻雜三維石墨烯的方法，包括以下步驟：

石墨片經溶劑洗滌、超聲洗滌、干燥處理后，進行液氮冷凍、物理膨脹處理后得到膨脹石墨片；將膨脹石墨片通過電化學剝離方法轉化為原位氧摻雜三維電化學剝離石墨烯；其中，液氮冷凍時間為1s～2h。

本發明中的石墨片多采用天然鱗片石墨，可以替換為碳紙，碳布及其他鱗片狀碳材料。本發明中所用的物理膨脹液體為常規溶劑，只要不與石墨片等碳材料發生反應即可，包括水、甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丙酮、氯仿或二氯甲烷等。

所述物理膨脹操作溫度為-40～40℃；膨脹處理時間為1s～5min。

所述物理膨脹后處理操作包括溶劑洗滌、干燥等。

本發明所涉及的洗滌溶劑為常規洗滌溶劑，達到清洗目的即可，包括丙酮、乙醇、去離子水等。同樣超聲洗滌達到進一步清洗目的即可，不做特別限定。本發明所涉及的干燥操作，其溫度為50～100℃。