[發(fā)明專利]一種高效電催化劑復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811026398.0
• 申請日: 2018-09-04
• 公開（公告）號: CN109300701B
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉衛(wèi);楊靜;鄭治坤;王紅蕾;胡鵬;畢冬勤;楊振宇;韓治際;朱庭順
• 申請（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/38;H01M4/62
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 陳衛(wèi)

本發(fā)明公開了一種基于多級孔結(jié)構(gòu)石墨烯氣凝膠的高效電催化劑復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。該制備方法包括以下步驟：對氧化石墨烯分散液進(jìn)行氧化刻蝕，得到表面帶有豐富的貫穿介孔結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯片層分散液；加入還原劑進(jìn)行還原組裝，得到具有多級孔道結(jié)構(gòu)的三維石墨烯水凝膠；用金屬前驅(qū)體溶液浸泡上述三維石墨烯水凝膠，利用水熱法或者高溫?zé)峤夥?，冷凍干燥，即可得到所述高效電催化劑?fù)合材料。這種特殊的多級孔結(jié)構(gòu)充分暴露了催化劑的催化活性位點(diǎn)，大大提高了電解液對催化劑活性物質(zhì)的浸潤性，加速了催化過程中體系內(nèi)部的傳質(zhì)；另外避免了支撐體材料因電化學(xué)氧化失效而導(dǎo)致的電催化活性喪失問題，表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性、高催化穩(wěn)定性和快傳質(zhì)特性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料應(yīng)用以及電催化劑合成與制備技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，涉及一種基于多級孔結(jié)構(gòu)石墨烯氣凝膠的高效電催化劑復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

貴金屬鉑（Pt）、金（Au）、銀（Ag）和鈀（Pd）等是目前應(yīng)用最為廣泛的電催化劑材料之一，但是其成本高、儲(chǔ)量少、穩(wěn)定性不好等劣勢嚴(yán)重限制了此類貴金屬電催化劑的大規(guī)模應(yīng)用。針對這一問題，目前通常采用的方案有兩種：1）開發(fā)催化活性可以與貴金屬類催化劑相媲美的非貴金屬催化劑材料，雖然通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高此類非貴金屬催化劑的催化活性，但是其仍然獲得無法令人滿意的催化活性和穩(wěn)定性，極大限制了其取代貴金屬催化劑大規(guī)模應(yīng)用的潛在可能；2）基于貴金屬制備納米合金化的復(fù)合電催化劑，通過精確的結(jié)構(gòu)控制，充分暴露貴金屬的活性位點(diǎn)，大大提高貴金屬的單位質(zhì)量催化活性，從而極大地減少貴金屬催化劑的用量。較第一種方案，合金化的貴金屬電催化劑材料的擁有更高的電化學(xué)催化活性、更低的過電勢、更好的穩(wěn)定性，具有更為優(yōu)異的電化學(xué)催化綜合性能和更加廣泛的應(yīng)用前景。

因制備過程中的團(tuán)聚問題以及電化學(xué)過程中的熟化團(tuán)聚、電化學(xué)腐蝕浸出問題，在實(shí)際應(yīng)用中，合金化的貴金屬納米合金催化劑優(yōu)異的綜合催化性能往往無法得到完全發(fā)揮。碳載體的引入，可以很好地起到充分暴露、穩(wěn)定和活化催化活性位點(diǎn)的作用，賦予最終的復(fù)合催化劑更好的綜合催化性能。石墨烯作為高度石墨化的二維碳材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和機(jī)械性能，同時(shí)具有高的載流子遷移率和大的比表面積，從結(jié)構(gòu)和本征特性上來說是理想的催化劑載體材料。然而，由于二維材料的本身屬性，石墨烯用作電催化劑載體時(shí)，往往面臨著嚴(yán)重的片層間堆疊團(tuán)聚問題，進(jìn)而導(dǎo)致慢的傳質(zhì)速率和活性位點(diǎn)被掩蓋等問題。

通過石墨烯片層的自組裝制備具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠是解決石墨烯片層用作載體時(shí)易發(fā)生的團(tuán)聚問題的有效手段，并可以為電子傳輸提供了快速通道。而且，由于傳統(tǒng)石墨烯氣凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的傳質(zhì)往往受到孔壁的限制作用，不能在整個(gè)氣凝膠內(nèi)部形成快速的傳質(zhì)過程，與傳統(tǒng)石墨烯氣凝膠相比，三維結(jié)構(gòu)石墨烯氣凝膠負(fù)載型的貴金屬納米合金催化劑材料的綜合電催化性能還有很大的提升空間。目前獲得三維石墨烯負(fù)載納米顆粒的復(fù)合材料還少有報(bào)道，而且很難使納米合金顆粒均勻分散在三維石墨烯的結(jié)構(gòu)中，其催化活性不理想，另外其支撐體材料容易因電化學(xué)氧化失效而導(dǎo)致電催化活性喪失。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，提供一種兼具快傳質(zhì)、高活性和高穩(wěn)定性的基于多級孔結(jié)構(gòu)石墨烯氣凝膠的高效電催化劑復(fù)合材料。

本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種基于多級孔結(jié)構(gòu)石墨烯氣凝膠的高效電催化劑復(fù)合材料的制備方法。

本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供使用上述方法制備得到的高效電催化劑復(fù)合材料。

本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供上述高效電催化劑復(fù)合材料在作為或制備電極材料中的應(yīng)用。

本發(fā)明的第四個(gè)目的是提供一種包含上述高效電催化劑復(fù)合材料的催化劑載體。

本發(fā)明上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于多級孔結(jié)構(gòu)石墨烯氣凝膠的高效電催化劑復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：