[發明專利]一種氮摻雜石墨烯催化劑及其制備方法

在審

• 申請號: 201911282152.4
• 申請日: 2019-12-13
• 公開（公告）號: CN111013623A
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發明（設計）人: 趙艷霞;程永亮
• 申請（專利權）人: 西北大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;H01M4/96;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 西安銘澤知識產權代理事務所(普通合伙) 61223
• 代理人: 崔瑞迎

本發明提供了一種氮摻雜石墨烯催化劑及其制備方法，包括以下步驟：步驟1、通過改進的Hummers法制備得到氧化石墨烯，并分散；步驟2、將金屬酞菁與酸和吡啶于110～130℃下充分反應得到無金屬酞菁，溶解得到無金屬酞菁溶液；步驟3、將步驟1得到的分散液與步驟2得到的無金屬酞菁溶液混合均勻，并干燥；步驟4、將步驟3的產物于惰性氣體氛圍中熱解得到氮摻雜石墨烯催化劑。本發明提供的氮摻雜石墨烯催化劑的制備方法簡單，條件溫和，生產成本低，易于操作，且得到的氮摻雜石墨烯催化劑電催化活性高，適用于工業化生產。

技術領域

本發明涉及新能源納米材料領域及催化技術領域，具體為一種氮摻雜石墨烯催化劑及其制備方法。

背景技術

石墨烯材料是一種具有二維蜂窩狀結構的單原子層材料，是構成富勒烯、碳納米管和石墨的基本結構單元。自2004年英國曼徹斯特大學安德烈·K·海姆制備出單層石墨烯以來，石墨烯因其優異的電學、熱學和力學性能，受到了科學界和工業界的廣泛關注。

通過元素摻雜可以改變石墨烯的結構和性能，從而實現更豐富的化學功能和應用。例如在石墨烯中引入氮原子，氮原子的孤對電子與sp²雜化碳原子發生離域共軛作用，從而極大程度地提高石墨烯的反應活性和電催化性能。摻雜的石墨烯與普通石墨烯相比，表現出不同的結構和性質(Angew.Chem.Int.Ed.2009,48,4386–4389；Science 2009,324,768-771)，在微電子、催化、復合材料、鋰電池、超級電容器、儲氫等方面有廣闊的應用前景。

目前為止，氮摻雜石墨烯的合成方法主要分為兩類：直接合成方法和后處理方法。直接合成方法包括化學氣相沉積法、偏析生長法、溶劑熱法和電弧放電法；后處理方法包括熱處理、等離子處理和聯氨處理。然而，現有常用的摻雜方法合成工藝復雜，對設備要求較高，難以實現工業化生產。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述技術的不足，提供一種氮摻雜石墨烯催化劑及其制備方法，通過將氧化石墨烯與無金屬酞菁反應制得，該氮摻雜石墨烯具有較高的氧還原催化活性，且制備過程條件溫和，操作簡單，成本低廉，適用于工業化生產。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種氮摻雜石墨烯催化劑的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、通過改進的Hummers法制備得到氧化石墨烯，將氧化石墨烯與水混合，得到氧化石墨烯的分散液；

步驟2、將金屬酞菁與酸和吡啶按照1g：4～10mL：0.6～0.8mol的料液比混合，并于110～130℃下充分反應得到無金屬酞菁，將無金屬酞菁分散在有機溶劑中得到無金屬酞菁溶液；

步驟3、將步驟1得到的氧化石墨烯的分散液與步驟2得到的無金屬酞菁溶液混合均勻，并干燥得到氮摻雜石墨烯前驅體；

其中，氧化石墨烯與無金屬酞菁的質量比為1：0.5～4.5；

步驟4、將步驟3得到的氮摻雜石墨烯前驅體于惰性氣體氛圍中熱解得到氮摻雜石墨烯催化劑。

優選的，步驟1中氧化石墨烯的質量濃度為1～1.1mg/mL。

優選的，步驟2中金屬酞菁為酞菁鐵或者酞菁銅，酸為物質的量濃度為13～18mol/L的鹽酸或者物質的量濃度為18～20mol/L的硝酸。

優選的，步驟2中反應時間為10～18h。

優選的，步驟2中有機溶劑為四氫呋喃，無金屬酞菁溶液的質量濃度為0.1mg/mL。

優選的，步驟4中熱解過程為：按照2～4℃/min的升溫速率升溫到500～700℃，保溫2～3h，惰性氣體為氬氣。

本發明還保護由上述制備方法制備得到的氮摻雜石墨烯催化劑。