[發(fā)明專利]硫和/或氮摻雜石墨烯納米片的制備方法、應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2020-11-26
• 公開（公告）號: CN112593203B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許交興;官輪輝;崔亞琪
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所
• 主分類號: C23C16/26
• 分類號: C23C16/26;C25B11/091;C25B1/30;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京睿智保誠專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11732
• 代理人: 周新楣

本申請公開了一種硫和/或氮摻雜石墨烯納米片的制備方法及應(yīng)用，所述方法包括：在非活性氣氛下，將含有摻雜源和碳源的原料，在催化劑的存在下，進(jìn)行化學(xué)沉積，反應(yīng)，之后除去催化劑，即可得到所述硫和/或氮摻雜石墨烯納米片；所述摻雜源選自硫源、氮源中的至少一種。本申請?zhí)峁┑幕诨瘜W(xué)氣相沉積(CVD)方法策略合成一種S和/或N摻雜石墨烯納米片，其作為催化劑在酸性介質(zhì)下表現(xiàn)出非凡的電催化氧還原產(chǎn)H₂O₂的性能，是目前酸性介質(zhì)中報(bào)道的最高速率和法拉第效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及一種硫和/或氮摻雜石墨烯納米片的制備方法、應(yīng)用，屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

作為“綠色化學(xué)品”，雙氧水在造紙，紡織，化工環(huán)保等行業(yè)的應(yīng)用廣泛，需求迅猛，其主成分過氧化氫(H₂O₂)已成為近十年用量增長最快的化學(xué)品之一。傳統(tǒng)工業(yè)蒽醌法包含復(fù)雜有機(jī)體系反應(yīng)和后處理步驟：危險(xiǎn)性高，能耗大等缺點(diǎn)。而電化學(xué)合成過氧化氫的方法具有設(shè)備簡單、高效低耗、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，有望取代傳統(tǒng)的工業(yè)蒽醌法。

電化學(xué)氧還原合成過氧化氫是將氧氣和水(H⁺)轉(zhuǎn)化成H₂O₂的過程，存在伴生競爭性的四電子氧還原副反應(yīng)，導(dǎo)致能量效率和產(chǎn)物選擇性不高。更為突出的是，過去所報(bào)道的催化劑大多為貴金屬，如Pd-Au、Pt-Pd、W-Au、Pd-Hg和Pt-Hg、Ag-Hg等合金催化劑，特別是Pd-Hg在酸性條件下表現(xiàn)高的選擇性與穩(wěn)定性，是當(dāng)前最好的二電子還原催化劑，但其高成本和汞流失對環(huán)境的危害，限制了它們的廣泛應(yīng)用。

近來報(bào)道的一些原料低廉且電化學(xué)穩(wěn)定的碳材料以及過渡金屬復(fù)合納米碳材料有望發(fā)展為最具潛力的二電子氧還原催化劑，如氧化的多壁碳納米管和石墨烯，N摻雜碳納米角，N摻雜介孔碳等。但是這些催化劑絕大多數(shù)在堿性/中性介質(zhì)條件下表現(xiàn)出優(yōu)越的氧還原產(chǎn)雙氧水性能(如過電位低，大電流)，在酸性介質(zhì)中則表現(xiàn)平庸。不幸的是，雙氧水產(chǎn)物在堿性和中性介質(zhì)中不穩(wěn)定，易分解。而在酸性條件下反而能長期共存，有利于產(chǎn)物收集。為此，開發(fā)酸性介質(zhì)中高效的非(貴)金屬具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本申請的一個(gè)方面，提供了一種硫和/或氮摻雜石墨烯納米片的制備方法，基于化學(xué)氣相沉積(CVD)方法策略合成一種S和/或N摻雜石墨烯納米片，其作為催化劑在酸性介質(zhì)下表現(xiàn)出非凡的電催化氧還原產(chǎn)H₂O₂的性能：其中啟動電位達(dá)到0.616V(酸性介質(zhì)有利于H₂O₂穩(wěn)定)，高于絕大部分的報(bào)道的材料如N-摻雜碳納米角(0.4V)，N-摻雜介孔碳(0.55V)和介孔碳球(0.37V)。產(chǎn)過氧化氫選擇性在電化學(xué)窗口(0.2-0.55V區(qū)間)均高于90％，速率最高達(dá)到4.79mol·g^-1·h^-1，法拉第效率達(dá)到92％，是目前酸性介質(zhì)中報(bào)道的最高速率和法拉第效率。

根據(jù)本申請的第一方面，提供了一種硫和/或氮摻雜石墨烯納米片的制備方法，所述方法包括：在非活性氣氛下，將含有摻雜源和碳源的原料，在催化劑的存在下，進(jìn)行化學(xué)沉積，反應(yīng)，之后除去催化劑，即可得到所述硫和/或氮摻雜石墨烯納米片；

所述摻雜源選自硫源、氮源中的至少一種。

可選地，所述催化劑包括活性組分和載體；所述活性組分負(fù)載在所述載體上；所述活性組分選自金屬元素；所述金屬元素選自鐵、鈷、鎳中的至少一種；

所述載體選自γ-Al₂O₃、SiO₂、MgO中的至少一種；

所述硫源選自噻吩、硫脲中的至少一種；

所述碳源選自噻吩、嘧啶、吡啶、硫脲、吡咯中的至少一種；

所述氮源選自嘧啶、吡啶，吡咯中的至少一種。