[發(fā)明專利]一種微納結(jié)構(gòu)磷化物/氧化物/石墨烯復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910603965.2
• 申請(qǐng)日: 2019-07-05
• 公開（公告）號(hào): CN110416552B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭興梅;錢程;張威;童祥芝;周東成;張俊豪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇科技大學(xué);江蘇科技大學(xué)海洋裝備研究院
• 主分類號(hào): H01M4/86
• 分類號(hào): H01M4/86;H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 北京一格知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11316
• 代理人: 滑春生

本發(fā)明涉及一種微納結(jié)構(gòu)磷化物/氧化物/石墨烯復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用，微納結(jié)構(gòu)磷化物/氧化物/石墨烯復(fù)合材料由過渡金屬磷化物/氧化物復(fù)合納米粒子、石墨烯以及無定型碳基體構(gòu)成，石墨烯包裹在無定型碳基體上，過渡金屬磷化物/氧化物復(fù)合顆粒以納米粒子的形態(tài)分布在石墨烯和無定型碳基體上；微納結(jié)構(gòu)磷化物/氧化物/石墨烯復(fù)合材料應(yīng)用為燃料電池正極氧氣還原催化劑。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明利用微生物形態(tài)多樣、易于培養(yǎng)的特點(diǎn)，選擇富含磷壁酸的革蘭氏陽性（G+）菌種作為模板、碳源和磷源，制備的復(fù)合材料具有穩(wěn)定可控的、多樣化的微納結(jié)構(gòu)，且制備方法經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效，適于工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電催化、電極材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種微納結(jié)構(gòu)磷化物/氧化物/石墨烯復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

電催化作為電化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵過程，在很多電化學(xué)器件中發(fā)揮著重要作用。例如，燃料電池正極的氧氣還原反應(yīng)(ORR)一般需要貴金屬鉑作為電催化劑，但鉑的稀有性和高成本嚴(yán)重限制了其大規(guī)模和商業(yè)化應(yīng)用。研發(fā)廉價(jià)的替代品一直是化學(xué)家和材料科學(xué)家的共同目標(biāo)，其中過渡金屬(Fe、Co、Ni等)磷化物和氧化物具有非常大的發(fā)展前景。得益于過渡金屬半空d軌道和價(jià)態(tài)可變特征，這些過渡金屬化合物展現(xiàn)出良好的催化活性，并且具有成本低的優(yōu)點(diǎn)。但是過渡金屬氧化物存在導(dǎo)電性差的缺點(diǎn)，而磷化物雖然具有良好的導(dǎo)電性，其穩(wěn)定性不如氧化物。因此，將氧化物與磷化物復(fù)合，并適量添加石墨烯，利用不同成分的協(xié)同效應(yīng)有望進(jìn)一步提高電催化活性。

除了活性成分，對(duì)于電催化劑來講，微觀結(jié)構(gòu)是影響電催化效率的另一重要因素。將電催化劑做成不同的微納形貌，不僅能夠提高活性面積，同時(shí)也有利于電荷與物質(zhì)的高效傳輸。然而，現(xiàn)有的人工制備方法只能獲得有限的、相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。

細(xì)菌，作為微生物家族的一員，來源廣泛，易于培養(yǎng)，并且具有多種不同的形態(tài)，如球形、桿形、螺旋形、梭形、星形等，以其為模板可以獲得不同微納結(jié)構(gòu)的材料；更重要的是，對(duì)于革蘭氏陽性(G+)菌種，除了細(xì)胞膜的磷脂雙分子層，細(xì)胞壁內(nèi)還含有大量的磷壁酸，為合成磷化物提供了豐富的磷源。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足之處，本發(fā)明提供了一種微納結(jié)構(gòu)磷化物/氧化物/石墨烯復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種微納結(jié)構(gòu)磷化物/氧化物/石墨烯復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述微納結(jié)構(gòu)磷化物/氧化物/石墨烯復(fù)合材料由過渡金屬磷化物/氧化物復(fù)合物、石墨烯以及無定型碳基體構(gòu)成，石墨烯包裹在無定型碳基體上，過渡金屬磷化物/氧化物復(fù)合物以納米粒子的形態(tài)分布在石墨烯和無定型碳基體上；

所述微納結(jié)構(gòu)磷化物/氧化物/石墨烯復(fù)合材料是通過以下步驟制備而成：

步驟1：將過渡金屬前驅(qū)體吸附在細(xì)菌上：將革蘭氏陽性(G+)菌種溶解在水中，加入適量石墨烯、過渡金屬鹽和三乙醇胺，用氨水調(diào)節(jié)pH至8-10，在60-90℃下攪拌至少1小時(shí)，陳化之后用去離子水和乙醇清洗，干燥備用；步驟2：熱處理獲得微納結(jié)構(gòu)磷化物/氧化物/石墨烯復(fù)合材料：將步驟1干燥得到的樣品在惰性氣體氣氛或真空條件下以小于5℃/min的速率從室溫升至600-900℃，保溫1-4h，自然冷卻至室溫，獲得保留細(xì)菌微觀形貌的微納結(jié)構(gòu)磷化物/氧化物/石墨烯復(fù)合材料。

進(jìn)一步的，所述步驟1中的細(xì)菌為球形、桿形或梭形中的一種。

進(jìn)一步的，所述細(xì)菌為球形時(shí)，獲得的材料是直徑為200nm-1μm的亞微米球。

進(jìn)一步的，所述細(xì)菌為桿形時(shí)，獲得的材料是長(zhǎng)度1-5μm，橫向直徑為100-500nm的桿狀材料。