[發(fā)明專利]一種燃料電池陰極氧還原催化劑氮硫共摻雜石墨烯/碳點(diǎn)復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910382209.1
• 申請(qǐng)日: 2019-05-08
• 公開（公告）號(hào): CN110061252A
• 公開（公告）日: 2019-07-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 金燕子;武立州
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 安康學(xué)院
• 主分類號(hào): H01M4/96
• 分類號(hào): H01M4/96;B82Y30/00
• 代理公司: 重慶航圖知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 50247
• 代理人: 王貴君

本發(fā)明公開了一種燃料電池陰極氧還原催化劑氮硫共摻雜石墨烯/碳點(diǎn)復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，先用熱處理制備氮硫共摻雜石墨烯，然后在石墨烯表面原位生長(zhǎng)氮硫共摻雜碳點(diǎn)，得到氮硫共摻雜石墨烯/碳點(diǎn)復(fù)合材料。本發(fā)明制備的燃料電池陰極氧還原催化劑氮硫共摻雜石墨烯/碳點(diǎn)復(fù)合材料可應(yīng)用于甲醇、甲酸、乙醇電氧化以及氧還原反應(yīng)催化劑。本發(fā)明具有成本低、工藝簡(jiǎn)單、所需設(shè)備簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，且易于實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池催化劑的領(lǐng)域，具體涉及一種燃料電池催化劑氮硫共摻雜石墨烯/碳點(diǎn)復(fù)合材料，還涉及該材料的制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

燃料電池(Fuel Cell)是一種高效、環(huán)境友好的電化學(xué)發(fā)電裝置，能持續(xù)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，是未來(lái)可持續(xù)能源體系發(fā)展的重要目標(biāo)。燃料電池技術(shù)研發(fā)已歷經(jīng)數(shù)十年，卻未能大范圍推廣，其發(fā)展最大因素是成本問(wèn)題。當(dāng)前主要是以貴金屬鉑作為催化劑，加上昂貴的質(zhì)子交換膜和石墨雙極板的加工成本等，導(dǎo)致燃料電池成本居高不下。同時(shí)，Pt催化劑在反應(yīng)過(guò)程中受中間產(chǎn)物的影響而失效，存在穩(wěn)定性和持久性問(wèn)題。因此，在燃料電池汽車商品化之前，必須大幅降低成本，而這將依賴于電池關(guān)鍵材料價(jià)格的降低和性能的進(jìn)一步提高。

無(wú)金屬雜原子摻雜的石墨烯等碳納米材料，用于燃料電池陰極電催化劑廣泛的研究，引入雜原子進(jìn)入到碳納米材料中能夠引起電子調(diào)制，來(lái)改變電荷分布和電子特性。摻雜引起的缺陷能夠進(jìn)一步改變碳納米材料的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善電催化材料的性能。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的之一在于提供一種燃料電池陰極氧還原催化劑氮硫共摻雜石墨烯/碳點(diǎn)復(fù)合材料的制備方法；本發(fā)明的目的之二在于提供由所述的制備方法制得的氮硫共摻雜石墨烯/碳點(diǎn)復(fù)合材料；本發(fā)明的目的之三在于提供所述氮硫共摻雜石墨烯/碳點(diǎn)復(fù)合材料在制備燃料電池陰極氧還原催化劑中的應(yīng)用。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

1、一種燃料電池陰極氧還原催化劑氮硫共摻雜石墨烯/碳點(diǎn)復(fù)合材料的制備方法，具體方法如下：先用熱處理制備氮硫共摻雜石墨烯，然后在石墨烯表面原位生長(zhǎng)氮硫共摻雜碳點(diǎn)，得到氮硫共摻雜石墨烯/碳點(diǎn)復(fù)合材料。

本發(fā)明中，熱處理制備氮硫共摻雜石墨烯的制備方法如下：將胱胺和氧化石墨烯混合，于50～80℃攪拌反應(yīng)10～20h，過(guò)濾冷凍干燥后，然后在氬氣氣氛下以5～12℃/min的升溫速率，升溫至500～1000℃并保溫2～6h進(jìn)行熱處理，得到氮硫共摻雜石墨烯。

本發(fā)明中，所述石墨烯表面原位生長(zhǎng)氮硫共摻雜碳點(diǎn)的方法如下：將氮硫共摻雜石墨烯分散于胱胺水溶液中，在150℃～200℃下水熱反應(yīng)4～10小時(shí)，離心分離，真空干燥后得到氮硫共摻雜石墨烯/碳點(diǎn)。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述胱胺和氧化石墨烯的質(zhì)量比為10～30：1。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述氮硫共摻雜石墨烯和胱胺的質(zhì)量比為1：4～20。

2、由所述的制備方法制得的氮硫共摻雜石墨烯/碳點(diǎn)復(fù)合材料。

3、所述氮硫共摻雜石墨烯/碳點(diǎn)復(fù)合材料在制備燃料電池陰極氧還原催化劑中的應(yīng)用。優(yōu)選的，所述催化劑為甲醇、甲酸、乙醇電氧化以及氧還原反應(yīng)的催化劑。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明利用胱胺作為氮源和硫源，通過(guò)熱處理和水熱反應(yīng)，分別摻雜石墨烯和碳點(diǎn)，制備氮硫共摻雜石墨烯/碳點(diǎn)復(fù)合材料作為燃料電池陰極氧還原催化劑。雙原子摻雜是在單原子摻雜的基礎(chǔ)之上引入第二種活性元素，通過(guò)調(diào)控不同原子的數(shù)量、比例等來(lái)改善催化協(xié)同作用，達(dá)到增強(qiáng)催化劑催化活性的目的。

(2)本發(fā)明的工藝簡(jiǎn)單和成本低，解決了現(xiàn)有制備燃料電池陰極氧還原催化劑的技術(shù)中存在的成本昂貴，條件苛刻，工藝復(fù)雜的問(wèn)題。

具體實(shí)施方式