[發明專利]一種氮摻雜石墨烯限域的Pt納米復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201910331994.8
• 申請日: 2019-04-24
• 公開（公告）號: CN110038611B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 楊黎妮;馬召彬;秦帥;夏立新
• 申請（專利權）人: 遼寧大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01D53/86;B01D53/62;B01D53/94
• 代理公司: 沈陽杰克知識產權代理有限公司 21207
• 代理人: 金春華

本發明公開一種氮摻雜石墨烯限域的Pt納米復合材料及其制備方法和應用。所述氮摻雜石墨烯限域的Pt納米復合材料為CN@Pt/GO；首先經濕化學還原法直接將Pt納米粒子負載到石墨烯上，得到Pt/GO；然后采用CVD法，在Pt/GO的Pt納米粒子表面快速沉積氮摻雜的石墨烯層制得。本發明制備的CN@Pt/GO表現出較好的CO低溫氧化的催化性能。由于Pt納米粒子與石墨烯以及氮摻雜石墨烯的限域作用，提高負載型Pt納米粒子的電子密度，增強CO的解吸，使CN@Pt/GO的CO低溫催化性能比Pt/GO好，從而提高了CN@Pt/GO催化劑的CO低溫催化性能。

技術領域

本發明屬于CO氧化反應催化劑技術領域，具體涉及一種氮摻雜石墨烯限域的Pt納米復合材料作為CO氧化反應催化劑的應用。

背景技術

眾所周知，一氧化碳是一種典型的有毒、可燃燒的化合物。煤、石油等化工燃料燃燒以及機動車的使用都會造成大量CO的排放，現在已經成為了嚴重的環境污染問題，引起了人們的普遍關注。CO的低溫消除在很多方面都具有非常重要的應用價值，如一氧化碳探測器材料、呼吸氣體凈化裝置、降低煙草危害以及飛機、航天器等封閉體系中微量CO的低溫消除等方面都有廣闊的應用前景。除此之外，在燃料電池的研究中，CO的存在不僅會和氫氣競爭與氧的反應，還會造成燃料電池的電極中毒。因此，CO的低溫氧化已經成為了催化研究領域的熱點問題之一。經過大量研究，已經研究出多種具有CO氧化性能的貴金屬催化劑，如Pt、Au、Pd等。

近年來，對氮摻雜石墨烯的制備進行了大量的研究。例如，可以通過在氨氣中高溫處理石墨烯或石墨氧化物或使用電弧放電方法來摻雜氮物種。除此之外，也可以用NH₃利用CVD法通過石墨烯生長直接引入N雜原子，或者基于四氯甲烷與氮化鋰反應的溶劑熱法。氮摻雜石墨烯具有優良的電子特性和表面化學性質，是制備無金屬催化劑或載體的理想材料。N雜原子進入石墨烯網絡可以改變局部電子結構和使催化劑活性中心增加，并且金屬納米粒子可以與含氮官能團電子相互作用，從而產生新的催化行為。此外，最近研究人員發現由金屬納米粒子和石墨烯構建的限域環境能夠顯著促進催化反應性能，這種由石墨烯層和金屬納米粒子表面形成的限域空間中獨特的電子環境能夠降低了反應物分子的活化能，提升催化反應速率。

發明內容

本發明的目的在于提供一種氮摻雜石墨烯限域的Pt納米復合材料及其制備方法。該方法為氮摻雜石墨烯負載金屬催化劑的多相催化的設計提供了新的途徑。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：一種氮摻雜石墨烯限域的Pt納米復合材料，所述氮摻雜石墨烯限域的Pt納米復合材料為CN@Pt/GO；首先經濕化學還原法直接將Pt納米粒子負載到石墨烯上，得到Pt/GO；然后采用CVD法，在Pt/GO的Pt納米粒子表面快速沉積氮摻雜的石墨烯層制得。

進一步的所述氮摻雜石墨烯限域的Pt納米復合材料CN@Pt/GO中，按重量百分比，鉑納米粒子的負載量為0.2％～2％。

一種氮摻雜石墨烯限域的Pt納米復合材料的制備方法，包括如下步驟：

1)Pt/GO的制備：將石墨烯超聲分散于乙二醇中，加入氯鉑酸溶液，調節混合液的pH至11～14，120～140℃下反應3～5h，冷卻至室溫，調節反應液pH至3～5，過濾，洗滌，干燥，得Pt/GO；

2)CN@Pt/GO的制備：采用CVD方法制備，將Pt/GO和乙腈同時放入兩個管式爐中，兩個管式爐通過石英管連通，以100～120mL/min流速通入惰性氬氣，吹掃30～40min后；將放入Pt/GO的管式爐升溫至650～850℃，放入乙腈的管式爐升溫至90～100℃；將乙腈氣體通過石英管通入Pt/GO的管式爐中，保溫10～30min，使乙腈裂解，在Pt/GO的Pt納米粒子上包覆氮摻雜的石墨烯層，降溫至室溫，獲得CN@Pt/GO。

上述的一種氮摻雜石墨烯限域的Pt納米復合材料作為催化劑在催化CO氧化反應中的應用。