一种氮掺杂石墨烯催化剂及其制备方法及应用的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种氮掺杂石墨烯催化剂及其制备方法及应用。所述的氮掺杂石墨烯催化剂，其特征在于，由氮掺杂石墨烯前驱体经过焙烧制成，所述的氮掺杂石墨烯前驱体采用包括非贵金属盐及其水合物中的至少一种、氧化石墨和含氮有机小分子的原料制备，所述原料中氧化石墨的质量百分比为10wt％～89wt％，含氮有机小分子的质量百分比为10wt％～89wt％，非贵金属盐及其水合物中的至少一种的质量百分比为1wt％～10wt％。本发明的氮掺杂石墨烯制备工艺简单，过程易于操作，活性高，成本低，易于工业化生产，可以应用于燃料电池、金属-空气电池以及微生物燃料电池等领域。
【专利说明】一种氮掺杂石墨烯催化剂及其制备方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明属于石墨烯催化材料领域，特别涉及一种氮掺杂石墨烯的制备方法及其应用。
【背景技术】
[0002]随着经济的快速发展，能源需求不断增加，能源存储和转化技术的发展日益受到世界各国学者和媒体的广泛关注。其中燃料电池作为一种将燃料中的化学能直接转换成电能的装置，具有效率高、无污染和多样化等优点，可应用于小型集中供电或分散式供电系统，特别是在电动汽车领域极具发展潜力和应用前景。
[0003]目前，制约燃料电池商业化的最主要原因是其催化剂成本和寿命两大问题。燃料电池所用的催化剂是以钼(Pt)系金属为主的贵金属催化剂，其价格昂贵、资源匮乏，使得燃料电池成本居高不下。因此，寻找和开发新型电催化材料成为推进燃料电池商业化进程的必然选择，也是近年来燃料电池的研究重点和热点。
[0004]自Gong等报道了垂直式氮掺杂碳纳米管阵列在碱性介质中显示出良好的氧还原催化活性以来[Science323，760 (2009)]，氮掺杂碳材料作为燃料电池非贵金属氧还原催化剂引起了研究者们的极大兴趣。石墨烯作为碳材料的基本单元，具有独特的单原子层二维晶体结构，其优异的性能如超高的电导率、热导率、透光性和机械强度等使得其在传感器、复合材料、能量存储等领域具有广泛的应用。理论和实验研究都表明，在石墨烯中引入氮原子，可以有效改变氮原子周围碳原子的自旋密度和电子云分布，从而形成更多活性位点，提高氧还原的催化活性。
[0005]氮掺杂石墨烯的合成方法主要分为两类:直接合成方法和后处理方法。直接合成方法包括化学气相沉积法、偏析生长法、溶剂热法和弧放电法；后处理方法包括热处理、等离子处理和联氨处理。然而，大部分掺杂的方法对设备要求较高，合成工艺复杂，难以实现工业化生产。因此，发展简单、高效和绿色环保的氮掺杂石墨烯制备方法是该领域研究的热点。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种氮掺杂石墨烯的制备方法和应用。该氮掺杂石墨烯具有较高的氧还原催化活性，可以显著的降低燃料电池的成本；制备简单，过程易于操作，活性高，成本低，适合于工业化生产。不仅可以应用于碱性燃料电池，还可以应用于金属-空气电池以及微生物燃料电池等能量存储和转换装置。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氮掺杂石墨烯催化剂，其特征在于，由氮掺杂石墨烯前驱体经过焙烧制成，所述的氮掺杂石墨烯前驱体采用包括非贵金属盐及其水合物中的至少一种、氧化石墨和含氮有机小分子的原料制备，所述原料中氧化石墨的质量百分比为10wt%?89wt%,含氮有机小分子的质量百分比为10wt%? 89wt%,非贵金属盐及其水合物中的至少一种的质量百分比为lwt%?10wt%。(上述的质量百分比以氮掺杂石墨烯前驱体的总质量为基准)
[0008]优选地,所述的氧化石墨为Hmnmers方法或改进Hmnmers方法制得。
[0009]优选地，所述的含氮的有机小分子为单氰胺、双氰胺、三聚氰胺和尿素中的至少一种。
[0010]优选地，所述的非贵金属盐为铁盐及过渡金属盐中的至少一种。
[0011]更优选地，所述的铁盐为硫酸亚铁、硫酸铁、硝酸铁、氯化铁、氯化亚铁和醋酸铁中至少一种。
[0012]更优选地，所述的过渡金属盐为硫酸钴、硝酸钴、氯化钴、醋酸钴、硫酸铈、硝酸铈、硫酸锰、硫酸镍、醋酸镍和醋酸铜中的至少一种。
[0013]本发明还提供了上述的氮掺杂石墨烯催化剂的制备方法，其特征在于，具体步骤为:
[0014]第一步，按重量百分比称取氧化石墨、含氮有机小分子和非贵金属盐，将氧化石墨、含氮有机小分子和非贵金属盐与溶剂混合，研磨至溶剂完全挥发，干燥后得到氮掺杂石墨稀如驱体；
[0015]第二步，将上述氮掺杂石墨烯前驱体置于石英舟中，在惰性气体保护下以5?250C /min升温至600?1000°C焙烧还原处理I?3h，得到氮掺杂石墨烯催化剂。
[0016]优选地，所述的溶剂为水、醇类、酮类、氯仿或四氢呋喃。
[0017]优选地,所述的惰性气体为氮气或氩气。
[0018]本发明还提供了应用上述的氮掺杂石墨烯制备膜电极结合体的方法，其特征在于，具体步骤为:将上述的氮掺杂石墨烯催化剂经过超声分散到分散剂中，得到催化剂溶液:将催化剂溶液转移到玻碳电极上，将甲醇溶液和Nafion溶液混合作为粘结剂，将粘结剂滴在已转移到玻碳电极上的催化剂溶液上，室温下晾干，得到膜电极结合体。
[0019]优选地，所述的分散剂为去离子水、甲醇溶液、乙醇溶液或异丙醇溶液。
[0020]优选地，所述的粘结剂中甲醇溶液和Nafion溶液的质量比为1:5_1:100。
[0021]优选地，所述的膜电极结合体上氮掺杂石墨烯的负载量为80?2000μ g/cm2。
[0022]本发明所述的膜电极结合体可应用在能量转换领域，包括燃料电池、金属-空气电池以及微生物燃料电池等领域。
[0023]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0024](I)本发明提供的氮掺杂石墨烯制备方法，采用价格低廉的含氮有机小分子为氮源前驱体，有效降低了氮掺杂石墨烯的制造成本；
[0025](3)本发明提供的氮掺杂石墨烯的制备简单，过程易于操作，活性高，成本低，适合于工业化生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为实施例1提供的氮掺杂石墨烯的透射电镜照片；
[0027]图2为实施例1、实施例4?6提供的氮掺杂石墨烯在O2饱和的0.1M KOH溶液中极化曲线图；
【具体实施方式】[0028]为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，作详细说明如下。实施例中的所述的氧化石墨为Hmnmers方法制得。
[0029]实施例1:
[0030]一种氮掺杂石墨烯，由氮掺杂石墨烯前驱体经过焙烧制成，所述的氮掺杂石墨烯前驱体采用包括氧化石墨、单氰胺、七水合硫酸亚铁的原料制备，所述原料中氧化石墨的质量百分比为28wt %，单氰胺的质量百分比为63wt %，七水合硫酸亚铁的质量百分比为9wt%。(上述的质量百分比以氮掺杂石墨烯前驱体的总质量为基准)
[0031]所述的氮掺杂石墨烯的制备方法为:称取0.0600g FeSO4.7Η20，0.3500g单氰胺和0.1600g氧化石墨置于玛瑙研钵中，加入20ml分析纯甲醇，充分研磨至甲醇挥发完全。将玛瑙研钵及混合物放入真空烘箱中60°C下真空干燥lh，得到氮掺杂石墨烯前驱体。然后，将前驱体置于石英舟中，在N2气氛保护下，以20°C /min升温速率升高至900°C条件下焙烧还原处理2h，得到需要的氮掺杂石墨烯催化剂(C-NG-900)。
[0032]实施例2:
[0033]一种氮掺杂石墨烯，由氮掺杂石墨烯前驱体经过焙烧制成，所述的氮掺杂石墨烯前驱体采用包括氧化石墨、双氰胺、七水合硫酸亚铁的原料制备，所述原料中氧化石墨的质量百分比为28wt %，双氰胺的质量百分比为63wt %，七水合硫酸亚铁的质量百分比为9wt%。(上述的质量百分比以氮掺杂石墨烯前驱体的总质量为基准)
[0034]所述的氮掺杂石墨烯的制备方法为:称取0.0600g FeSO4.7Η20，0.3500g双氰胺和0.1600g氧化石墨置于玛瑙研钵中。加入20ml分析纯甲醇，充分研磨至甲醇挥发完全。将玛瑙研钵及混合物放入真空烘箱中60°C下真空干燥lh，得到氮掺杂石墨烯前驱体。然后，将前驱体置于石英舟中，在N2气氛保护下，以20°C /min升温速率升高至900°C条件下焙烧还原处理2h，得到需要的氮掺杂石墨烯催化剂(D-NG-900)。
[0035]实施例3:
[0036]一种氮掺杂石墨烯，由氮掺杂石墨烯前驱体经过焙烧制成，所述的氮掺杂石墨烯前驱体采用包括氧化石墨、三聚氰胺、七水合硫酸亚铁的原料制备，所述原料中氧化石墨的质量百分比为28wt%，三聚氰胺的质量百分比为63wt%，七水合硫酸亚铁的质量百分比为9wt%。(上述的质量百分比以氮掺杂石墨烯前驱体的总质量为基准)
[0037]所述的氮掺杂石墨烯的制备方法为:称取0.0600g FeSO4.7Η20，0.3500g三聚氰胺和0.1600g氧化石墨置于玛瑙研钵中。加入20ml分析纯甲醇，充分研磨至甲醇挥发完全。将玛瑙研钵及混合物放入真空烘箱中60°C下真空干燥lh，得到氮掺杂石墨烯前驱体。然后，将前驱体置于石英舟中，在N2气氛保护下，以20°C /min升温速率升高至900°C条件下焙烧还原处理2h，得到需要的氮掺杂石墨烯催化剂(M-NG-900)。
[0038]实施例4:
[0039]一种氮掺杂石墨烯，由氮掺杂石墨烯前驱体经过焙烧制成，所述的氮掺杂石墨烯前驱体采用包括氧化石墨、单氰胺、七水合硫酸亚铁的原料制备，所述原料中氧化石墨的质量百分比为28wt %，单氰胺的质量百分比为63wt %，七水合硫酸亚铁的质量百分比为9wt%。(上述的质量百分比以氮掺杂石墨烯前驱体的总质量为基准)
[0040]所述的氮掺杂石墨烯的制备方法为:称取0.0600g FeSO4.7Η20，0.3500g单氰胺和
0.1600g氧化石墨置于玛瑙研钵中。加入20ml分析纯甲醇，充分研磨至甲醇挥发完全。将玛瑙研钵及混合物放入真空烘箱中60°C下真空干燥lh，得到氮掺杂石墨烯前驱体。然后，将前驱体置于石英舟中，在N2气氛保护下，以20°C /min升温速率升高至700°C条件下焙烧还原处理2h，得到需要的氮掺杂石墨烯催化剂(C-NG-700)。
[0041]实施例5:
[0042]一种氮掺杂石墨烯，由氮掺杂石墨烯前驱体经过焙烧制成，所述的氮掺杂石墨烯前驱体采用包括氧化石墨、单氰胺、七水合硫酸亚铁的原料制备，所述原料中氧化石墨的质量百分比为28wt %，单氰胺的质量百分比为63wt %，七水合硫酸亚铁的质量百分比为9wt%。(上述的质量百分比以氮掺杂石墨烯前驱体的总质量为基准)
[0043]所述的氮掺杂石墨烯的制备方法为:称取0.0600g FeSO4.7Η20，0.3500g单氰胺和
0.1600g氧化石墨置于玛瑙研钵中。加入20ml分析纯甲醇，充分研磨至甲醇挥发完全。将玛瑙研钵及混合物放入真空烘箱中60°C下真空干燥lh，得到氮掺杂石墨烯前驱体。然后，将前驱体置于石英舟中，在N2气氛保护下，以20°C /min升温速率升高至800°C条件下焙烧还原处理2h，得到需要的氮掺杂石墨烯催化剂(C-NG-800)。
[0044]实施例6:
[0045]一种氮掺杂石墨烯，由氮掺杂石墨烯前驱体经过焙烧制成，所述的氮掺杂石墨烯前驱体采用包括氧化石墨、单氰胺、七水合硫酸亚铁的原料制备，所述原料中氧化石墨的质量百分比为28wt %，单氰胺的质量百分比为63wt %，七水合硫酸亚铁的质量百分比为9wt%。(上述的质量百分比以氮掺杂石墨烯前驱体的总质量为基准)
[0046]所述的氮掺杂石墨烯的制备方法为:称取0.0600g FeSO4.7Η20，0.3500g单氰胺和
0.1600g氧化石墨置于玛瑙研钵中。加入20ml分析纯甲醇，充分研磨至甲醇挥发完全。将玛瑙研钵及混合物放入真空烘箱中60°C下真空干燥lh，得到氮掺杂石墨烯前驱体。然后，将前驱体置于石英舟中，在N2气氛保护下，以20°C /min升温速率升高至1000°C条件下焙烧还原处理2h，得到需要的氮掺杂石墨烯催化剂(C-NG-1000)。
[0047]实施例7:
[0048]将5mg的实施例1-6所得的氮掺杂石墨烯催化剂分散到Iml的质量浓度为99%的甲醇溶液中，经超声分散得到催化剂溶液。用微量移液枪移取10 μ I上述催化剂溶液转移到一个直径为0.2475cm2的玻碳电极上。将质量浓度为99%的甲醇溶液和5% Nafion溶液按质量比100:1混合作为粘结剂，取一滴粘结剂滴在已转移到玻碳电极上的催化剂溶液上，室温下自然晾干，得到膜电极结合体，催化剂负载量为200g/cm2。
[0049]运用旋转圆盘技术(RDE)在传统的三电极体系中对膜电极结合体进行电化学测试。电解液为0.1M Κ0Η，参比电极为饱和甘汞电极，对电极为Pt丝电极。室温下的线性扫描极化曲线如图2所示。
[0050]如图1所示，为实施例1提供的氮掺杂石墨烯的透射电镜照片，从图1可以发现，本发明中氮掺杂石墨烯具有褶皱的且通透性很好的石墨烯片层。从图2可以发现，氮掺杂石墨烯对氧气还原具有较高的催化活性，不同温度处理的氮掺杂石墨烯催化活性不同，900°C下制备的氮掺杂石墨烯表现出最佳的催化活性，以其制备的膜电极结合体在O2饱和的0.1M KOH电解质溶液中的起始电位和半波电位分别为0.18V(相对于标准氢电极)和
0.08V。
【权利要求】
1.一种氮掺杂石墨烯催化剂，其特征在于，由氮掺杂石墨烯前驱体经过焙烧制成，所述的氮掺杂石墨烯前驱体采用包括非贵金属盐及其水合物中的至少一种、氧化石墨和含氮有机小分子的原料制备，所述原料中氧化石墨的质量百分比为10wt%? 89wt%,含氮有机小分子的质量百分比为10wt%?89wt%，非贵金属盐及其水合物中的至少一种的质量百分比为 Iwt%?IOwt%。
2.如权利要求1所述的氮掺杂石墨烯催化剂，其特征在于，所述的含氮的有机小分子为单氰胺、双氰胺、三聚氰胺和尿素中的至少一种。
3.如权利要求1所述的氮掺杂石墨烯催化剂，其特征在于，所述的非贵金属盐为铁盐及过渡金属盐中的至少一种。
4.如权利要求3所述的氮掺杂石墨烯催化剂，其特征在于，所述的铁盐为硫酸亚铁、硫酸铁、硝酸铁、氯化铁、氯化亚铁和醋酸铁中至少一种。
5.如权利要求3所述的氮掺杂石墨烯催化剂，其特征在于，所述的过渡金属盐为硫酸钴、硝酸钴、氯化钴、醋酸钴、硫酸铈、硝酸铈、硫酸锰、硫酸镍、醋酸镍和醋酸铜中的至少一种。
6.权利要求1所述的氮掺杂石墨烯催化剂的制备方法，其特征在于，具体步骤为: 第一步，按重量百分比称取氧化石墨、含氮有机小分子和非贵金属盐，将氧化石墨、含氮有机小分子和非贵金属盐与溶剂混合，研磨至溶剂完全挥发，干燥后得到氮掺杂石墨烯前驱体； 第二步，将上述氮掺杂石墨烯前驱体置于石英舟中，在惰性气体保护下以5?25V /min升温至600?1000°C焙烧还原处理I?3h，得到氮掺杂石墨烯催化剂。
7.如权利要求6所述的氮掺杂石墨烯催化剂的制备方法，其特征在于，所述的溶剂为水、醇类、酮类、氯仿或四氢呋喃。
8.如权利要求6所述的氮掺杂石墨烯催化剂的制备方法，其特征在于，所述的惰性气体为氮气或氩气。
9.应用权利要求1-5所述的氮掺杂石墨烯制备膜电极结合体的方法，其特征在于，具体步骤为:将上述的氮掺杂石墨烯催化剂经过超声分散到分散剂中，得到催化剂溶液:将催化剂溶液转移到玻碳电极上，将甲醇溶液和Nafion溶液混合作为粘结剂，将粘结剂滴在已转移到玻碳电极上的催化剂溶液上，室温下晾干，得到膜电极结合体。
10.如权利要求9所述的制备膜电极结合体的方法，其特征在于，所述的膜电极结合体上氮掺杂石墨烯的负载量为80?2000 μ g/cm2。
【文档编号】B01J27/24GK103611555SQ201310586828
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月20日 优先权日:2013年11月20日
【发明者】乔锦丽, 周学俊, 石晶晶, 卿欣 申请人:东华大学