[發(fā)明專利]一種碳空心球內(nèi)層負(fù)載的金屬納米催化劑制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810532835.X
• 申請(qǐng)日: 2018-05-29
• 公開（公告）號(hào): CN108837826B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 易清風(fēng);李廣;余亮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖南科技大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J23/42
• 分類號(hào): B01J23/42;B01J23/44;B01J23/75;B01J23/755;B01J23/89;B01J27/24;B01J33/00;B01J35/00;B01J35/08;B01J37/08
• 代理公司: 張家界市慧誠商標(biāo)專利事務(wù)所 43209
• 代理人: 高紅旺

本發(fā)明公開了一種碳空心球內(nèi)層負(fù)載的金屬納米催化劑制備方法，包括步驟：（1）制備碳空心球（CHS）；（2）將碳空心球的殼層微孔化處理；（3）酸化處理；（4在碳空心球空腔與表面微孔中填充金屬氧化物；（5）在中性溶液中將碳空心球表面用聚多巴胺修飾；（6）氧化石墨烯修飾的碳空心球的制備；（7）碳空心球內(nèi)層負(fù)載的金屬納米催化劑的制備。本發(fā)明制備的金屬納米催化劑通過碳層和石墨烯的保護(hù)，大大增強(qiáng)了材料的電化學(xué)性能和穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新型電化學(xué)催化材料領(lǐng)域，具體涉及到一種碳空心球內(nèi)層負(fù)載的金屬納米催化劑制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

納米尺寸的碳空心球是碳材料中具有納米結(jié)構(gòu)的一種新產(chǎn)物，它具有獨(dú)特的內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)，并且它的球形大小和殼層厚度可以在納米尺度范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控。這些特殊的結(jié)構(gòu)使其可以作為金屬納米顆粒的載體，從而形成具有特殊結(jié)構(gòu)、獨(dú)特性質(zhì)的復(fù)合電催化劑，在電化學(xué)催化、能源材料電化學(xué)等很多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。此外，納米空心碳球（HCSs）作為具有空腔結(jié)構(gòu)的一種球狀納米碳材料，它的孔容量大、比表面積高、物理和化學(xué)穩(wěn)定性良好、密度低、殼層厚度以及空腔大小可調(diào)控。因此，以碳空心球作為金屬納米顆粒催化劑的載體，能夠有效地分散納米顆粒，提高它的電催化活性。

但由于碳空心球自身性質(zhì)的限制，它的表面所產(chǎn)生的活性位點(diǎn)數(shù)有限，其性能有待進(jìn)一步改善。為了改善它的性能，通常對(duì)碳空心球表面進(jìn)行功能化處理，其中摻雜處理是一種有效的方法。氮是一種很常見的摻雜元素，通過對(duì)CHS進(jìn)行氮摻雜，即使是少量的氮摻雜，也能較為顯著地改變碳的晶體結(jié)構(gòu)，提高碳材料的導(dǎo)電性，改善分子之間的相互作用，增強(qiáng)碳材料的催化活性，對(duì)碳材料的物理-化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。這種氮摻雜的碳空心球（N-CHS）在電化學(xué)領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用

一般地，碳空心球或氮摻雜的碳空心球作為催化劑載體，催化劑顆粒分散在碳空心球的表面。但這樣的催化劑在使用過程中通常會(huì)發(fā)生顆粒之間的團(tuán)聚，以及顆粒從碳空心球表面脫落的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致催化劑的活性明顯下降。另一方面，碳空心球或氮摻雜的碳空心球表面的石墨化程度有限，導(dǎo)致它的導(dǎo)電性并不是很強(qiáng)，這也減弱了它作為催化劑載體的效果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種碳空心球內(nèi)層負(fù)載的金屬納米催化劑，本發(fā)明的目的還提供了一種碳空心球內(nèi)層負(fù)載的金屬納米催化劑制備方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的實(shí)施方案為：一種碳空心球內(nèi)層負(fù)載的金屬納米催化劑制備方法，包括以下步驟：

（1）制備碳空心球（CHS）；

（2）將碳空心球（CHS）在二氧化碳?xì)夥障拢? °C/min的升溫速率從室溫升至850°C，并在850 °C時(shí)恒溫0.5 h，隨后自然冷卻至室溫，得到表面微孔化的碳空心球；

（3）將表面微孔化的碳空心球與30wt%的HNO₃溶液按100mg:20mL的質(zhì)量:體積比混合，在70^oC水浴中攪拌后過濾，用純水洗至中性，在50^oC下真空干燥，得到酸化處理的碳空心球；

（4）將上述酸化處理的碳空心球與金屬鹽水溶液混合，不斷攪拌下將所得混合物加熱到60^oC，在此溫度下充分?jǐn)嚢瑁旌衔锊粩嗟渭訚舛葹?mol× L^-1的NaOH溶液，直至混合物的pH值為9-11，繼續(xù)攪拌后過濾，用純水洗至中性，所得固體在50^oC下真空干燥，得到填充金屬氧化物的碳空心球；所述酸化處理的碳空心球與金屬鹽水溶液的質(zhì)量:體積比為200mg:100 mL；

（5）將上述填充金屬氧化物的碳空心球與濃度為0.1 mol× L^-1的PBS緩沖溶液混合，超聲分散，接著加入濃度為2 mg × mL^-1的多巴胺溶液，攪拌均勻后，再加入濃度為4.5mg × mL^-1的過硫酸銨溶液，將所得混合物在室溫下緩慢攪拌后過濾，純水洗，得到聚多巴胺修飾的碳空心球；