[發(fā)明專利]一種石墨稀復(fù)合材料的制備及其在能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2021-03-03
• 公開（公告）號: CN113046777B
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 詹東平;何權(quán)烽;韓聯(lián)歡;田中群
• 申請（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué)
• 主分類號: C25B11/065
• 分類號: C25B11/065;C25B11/081;C25B11/089;C25B11/075;C25B1/04;H01M4/90;H01M4/92;H01M8/0656
• 代理公司: 北京商專永信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11400
• 代理人: 歐陽石文

本發(fā)明提供一種石墨烯復(fù)合材料、其制備方法以及在能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用。所述石墨烯復(fù)合材料包含催化劑活性中心和石墨烯載體兩部分，負(fù)載催化劑的石墨烯經(jīng)過電化學(xué)調(diào)控，將質(zhì)子轉(zhuǎn)化為氫原子，存儲(chǔ)在石墨烯上，得到氫化石墨稀，并實(shí)現(xiàn)室溫常壓下的儲(chǔ)氫。本發(fā)明方法制備的石墨烯復(fù)合材料通過電化學(xué)方法將質(zhì)子轉(zhuǎn)化為氫原子存儲(chǔ)在石墨烯上，不僅可以實(shí)現(xiàn)氫能的存儲(chǔ)和釋放，進(jìn)行儲(chǔ)氫、制氫和制氧，而且可以作為化學(xué)電源的負(fù)極材料，構(gòu)筑各種類型的電池。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新能源材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種石墨稀復(fù)合材料的制備及其在能源存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

氫作為一種高能量載體(化學(xué)能密度為142MJ/kg，是汽油的三倍以上)以及加氫反應(yīng)的原料之一，一直受到廣泛的關(guān)注。與化石燃料相比，氫能具有明顯的優(yōu)勢，包括可再生性和環(huán)境友好性(氫燃燒或氧化的唯一產(chǎn)物是水)，因此氫能是被人們寄予厚望的未來清潔能源之一。儲(chǔ)氫技術(shù)是推動(dòng)氫能和燃料電池技術(shù)在固定、便攜式電源以及新能源交通等領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。然而，目前儲(chǔ)氫技術(shù)嚴(yán)重制約了氫能經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。氫氣可以物理形式存儲(chǔ)為氣體或液體。作為氣體存儲(chǔ)，需要高壓條件(典型的壓力是350～700bar)；作為液體存儲(chǔ)，需要低溫保存(氫的沸點(diǎn)是-252.8℃)。傳統(tǒng)的儲(chǔ)氫方式無法提供較高的質(zhì)量能量密度并且存在巨大安全隱患。故而，尋求高密度的固體材料儲(chǔ)氫技術(shù)是目前的研究的重點(diǎn)。

金屬氫化物、金屬有機(jī)框架材料、多孔材料等是研究固體儲(chǔ)氫的熱門材料。金屬氫化物的結(jié)合焓強(qiáng)，擴(kuò)散路徑長以及零價(jià)金屬的氧化不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)氫動(dòng)力學(xué)非常緩慢。金屬有機(jī)框架材料、多孔材料以物理吸附方式儲(chǔ)氫，物理吸附的結(jié)合力較弱，需要低溫(如77K)或高壓環(huán)境才能表現(xiàn)出較好的性能。因此，安全、致密的固體材料儲(chǔ)氫，尤其是室溫常壓下的儲(chǔ)氫仍然是一項(xiàng)艱巨的科學(xué)挑戰(zhàn)。

石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化形成六邊形晶格的二維材料。由于石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)而具有眾多優(yōu)異性能，比如高電子遷移率、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和非常大的比表面積(2630cm²/g)。對石墨烯材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男蕴幚恚T如Pt、Pd、Ni等金屬催化劑的引入，可實(shí)現(xiàn)原子氫的儲(chǔ)存，通過化學(xué)相互作用可以充分提高材料的儲(chǔ)氫容量。目前儲(chǔ)氫體系的研究大多集中在固/氣體系，并在高壓或低溫環(huán)境下進(jìn)行，氫氣在金屬催化劑上解離成吸附氫原子(典型的高壓條件是10bar、低溫條件是200K)，然后從金屬催化劑上向載體上溢流，釋放時(shí)，需要在低壓或者高溫的環(huán)境中((典型的低壓條件是0.5bar、高溫條件是400K))。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和現(xiàn)實(shí)需求，本發(fā)明人研究固/液體系，以更有利于在常溫環(huán)境下生產(chǎn)原子氫。通過電化學(xué)方法，催化電解質(zhì)溶液中的質(zhì)子或水在催化劑表面解離成吸附氫原子，通過氫溢流效應(yīng)，活性氫原子進(jìn)一步向載體表面溢流并擴(kuò)散，得到氫化石墨稀材料，并以此實(shí)現(xiàn)室溫常壓下的儲(chǔ)氫。

因此，本發(fā)明的目的在于提供一種石墨稀復(fù)合材料的制備及其在能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用，該方法工藝簡單，方法新穎且可大規(guī)模制備。其在能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用，該石墨稀復(fù)合材料無需氫氣，直接以酸性溶液中的質(zhì)子或中性、堿性溶液中的水為氫源；可用于儲(chǔ)氫、制氫和制氧，而且可以作為化學(xué)電源的負(fù)極材料，構(gòu)筑各種類型的電池，因而在儲(chǔ)氫領(lǐng)域具有良好的工業(yè)化前景。

本發(fā)明首先提供一種石墨稀復(fù)合材料的制備方法，包含催化劑活性中心和石墨烯兩部分，其是催化劑負(fù)載于石墨烯上形成的石墨稀復(fù)合材料。

所述的石墨稀復(fù)合材料的制備，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述催化劑的質(zhì)量百分比為0.1％～40％；所述石墨烯的質(zhì)量百分比為60％～99.9％

在進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施方式中，在所述石墨稀復(fù)合材料中，所述催化劑的質(zhì)量百分比為0.1％～10％；所述石墨烯的質(zhì)量百分比為90％～99.9％。

一種石墨稀復(fù)合材料的制備方法，按照上述催化劑和石墨烯的配比，通過電化學(xué)調(diào)控、濺射、蒸鍍將催化劑負(fù)載于石墨烯上即得