一种含有石墨烯材料的催化剂及其制备方法与流程

本发明属于化工领域，涉及一种燃料电池阳极催化剂，尤其是涉及一种含有石墨烯材料的催化剂及其制备方法。

背景技术：

随着社会经济的发展，能源短缺和环境污染成为人们亟需解决的问题。与传统化石能源相比，新型高效环保的绿色能源如燃料电池成为解决上述问题的有效途径之一。其中，燃料电池由于具有能量密度高、燃料来源广泛而被应用在各个领域，催化剂是促进燃料电池大规模应用的关键，催化剂的载体如石墨烯等能够利用石墨烯优异的物理化学性质和载体与贵金属之间的相互作用等优点，同时引入其他过渡金属元素等形成的电催化剂可以降低贵金属的用量和使得电催化活性较单金属有所提高，从而使得研制催化剂更加广泛。因此，石墨烯材料负载多金属纳米粒子催化剂具有较好的研究前景。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种含有石墨烯材料的催化剂及其制备方法，所述的这种含有石墨烯材料的催化剂及其制备方法要解决现有技术中的电催化剂性能不佳、成本较高的技术问题。

本发明提供了一种含有石墨烯的催化剂，含有石墨烯，所述的石墨烯上负载有贵金属或者非金属中的任意一种或者两种的组合，所述的贵金属包括二元或者以上的至少一种金属构成的合金材料，所述的贵金属或者非金属在催化剂中的质量百分比为1~90wt%。

进一步的，所述的金属为钯、铂、镍、铜、银中的任意一种或者两种以上的组合。

进一步的，所述的非金属为磷或者硼元素中的任意一种或者两种的组合。

本发明还提供了上述的一种含有石墨烯的催化剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）一个制备石墨烯材料的步骤，以石墨为原材料，采用改进的hummers法制备，加入强氧化剂分步氧化成氧化石墨；

（2）一个制备石墨烯负载贵金属或者非金属的步骤，将上述制得的石墨烯材料分散于水中，加入贵金属或者非金属前驱体和络合剂，调节ph为8~14，再加入还原剂，搅拌反应，干燥后即得到目的产物。

进一步的，步骤（2）中石墨烯载体材料和络合剂的质量比为1：（1~10）。

进一步的，贵金属前驱体与还原剂的质量比为1:6~50，贵金属前驱体的添加量满足：贵金属前驱体中的贵金属为石墨烯载体材料与贵金属质量之和的10~50%。

进一步的，当贵金属和非金属前驱体共同加入时，贵金属和非金属前驱体的质量之和为石墨烯载体材料的10~50%，非金属是贵金属前驱体质量的10~15倍量。

进一步的，非金属前驱体与还原剂的质量比为1:6~50，非金属前驱体的添加量满足：非金属前驱体中的非金属为石墨烯载体材料与非金属质量之和的10~50%。

进一步的，步骤（2）中所述的络合剂为edta、pvp、柠檬酸三钠或ctab中的任意一种；所述的还原剂为硼氢化钾、硼氢化钠或水合肼中的任意一种。

进一步的，步骤（2）中搅拌反应的时间为1-5h。

本发明利用以石墨烯为载体，以金属前驱体为金属来源，通过简单水相还原法以还原剂还原金属纳米粒子后从而制得石墨烯材料负载多金属催化剂。相比于其他碳材料，石墨烯具有较大的比表面积和优异的电子传导性能；使得多金属前驱体能制得二元或三元金属材料，从而获得较高性能的催化材料；同时，非金属元素以其前驱体为来源，当引入非金属元素时，非金属元素一般填充在贵金属的晶格中，使晶格膨胀，与引入金属元素相反，正是这两种相反的效果协同调制了三元合金的几何和电子结构，从而进一步获得更好性能的催化材料。

本发明与现有技术相比，其技术进步是显著的。本发明通过以改性的石墨烯材料为载体，形貌特征成片层有褶皱，然后再均匀负载铂、钯、金或银纳米粒子等二元及以上金属，结合贵金属和载体之间的电子结构影响及协同效应，使得催化剂载体具有较大比表面积和较好电子传导率，从而具有在碱性醇类中具有良好的电催化活性以及电化学稳定性。本发明的制备工艺简单明了，适合规模化生产，实用价值高。

附图说明

图1为实施例1所得的石墨烯材料负载二元金属纳米粒子材料的xrd图；

图2为实施例1所得的石墨烯材料负载三元金属纳米粒子材料的xrd图；

图3为实施例1所得的石墨烯材料负载二元及三元金属纳米粒子材料的拉曼图；

图4为实施例1所得的石墨烯材料负载二元金属纳米粒子材料在1mnaoh+1mc2h5oh中的循环伏安图；

图5为实施例1所得的石墨烯材料负载二元金属纳米粒子材料在1mnaoh+1mc2h5oh中的时间电流曲线。

图6为实施例1所得的石墨烯材料负载三元金属纳米粒子材料在1mnaoh+1mc2h5oh中的循环伏安图；

图7为实施例1所得的石墨烯材料负载三元金属纳米粒子材料在1mnaoh+1mc2h5oh中的时间电流曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

（1）石墨烯材料的制备

①在三口烧瓶中加入1~3g石墨，1~3g过硫酸钾和1~3g五氧化二磷，然后加入20~50ml浓硫酸（边加边搅拌），磁力搅拌均匀后，缓慢升温至80℃，继续反应5小时结束后，冷却至室温，缓慢将其倒入冰水混合物中，搅拌至溶液放热完全后，过滤并用去离子水多次洗涤，真空烘箱中干燥得到产物预氧化石墨。

②将预氧化石墨加入到三口烧瓶中，加入20~50ml浓硫酸，室温磁力搅拌1h至形成黑色均一的分散液。称取5~15g高锰酸钾固体，缓慢加入到预氧化石墨粉和浓硫酸的混合溶液中，该过程必须保持冰水浴。待高锰酸钾完全加入后，撤去冰水浴，室温下搅拌1h后缓慢升温至35℃，反应2h。反应结束后，将反应液缓慢倒入大量的冰水混合物中，搅拌至溶液放热完全后，随后加入5~10ml双氧水，溶液颜色变为金黄色，离心，收集沉淀。将沉淀用10%稀盐酸离心洗涤6次，至上清液澄清透明。然后用去离子水离心洗涤，收集底部氧化石墨产物。将氧化石墨（go）产物分散在去离子水中以备用。

（2）石墨烯材料负载多元金属纳米粒子材料的制备

称取20~30mggo分散在30ml去离子水中，超声剥离go，加入edta溶液及20~100mg贵金属前驱体（氯亚钯酸钾和乙酸镍）；所述的石墨烯材料和络合剂的质量比为1:5，持续搅拌，调节ph为8~14，再用蠕动泵以最低速度加入硼氢化钠，贵金属前驱体和还原剂的质量比为1:50，持续搅拌3h，真空干燥后即得到石墨烯材料负载二元金属纳米粒子材料。相同步骤下，以贵金属前驱体（氯亚钯酸钾和乙酸镍和磷酸），合成石墨烯材料负载的三元催化剂材料。

上述所得的石墨烯材料负载二元金属纳米粒子材料的xrd图，如图1所示。通过改进的hummers法得到的氧化石墨在11°附近处有一个高且尖锐的特征衍射峰，。这说明石墨被氧化后，层与层之间插入了基团使得层间距变大；经过还原剂还原后得到的还原氧化石墨烯的峰位出现微弱的偏移，但在25°附近出现特征衍射峰，说明氧化石墨已经被部分还原。贵金属pd的(111)、(200)、(220)、(311)四个特征衍射峰，证实了碳材料负载贵金属纳米粒子。

图2为实施例1所得的石墨烯材料负载三元金属纳米粒子材料的xrd图，从图中可以看出c的（002）峰及贵金属钯的四个特征衍射峰，其他金属元素的峰由于含量较少，峰强不明显。

图3为实施例1所得的石墨烯材料负载多元金属纳米粒子材料的拉曼图，可以看出，在1335cm^-1处出现了一个d带峰，d带峰代表的是催化剂载体的c原子晶格的缺陷；在1595cm^-1处出现g带峰，g带峰代表的是c原子sp2杂化的面内伸缩振动。d带与g带的强度的比值id/ig反映了碳结构的破坏程度和改性程度，度比越大，说明碳材料上拥有更多的空位和缺陷，可以更方便的负载贵金属纳米颗粒。说明石墨烯负载的三元催化剂相对二元催化剂具有更多的缺陷位和更好的电子传导的作用。

图4对应的是石墨烯材料负载二元金属纳米粒子材料在1mnaoh+1mc2h5oh中的循环伏安图。从图中可以看出，pd1ni1/g具有较大的正扫乙醇氧化电流密度为1195mamg^-1相比于pd/g的正扫乙醇氧化电流密度823.8mamg^-1，高出1.45倍，从而证明石墨烯材料负载二元金属纳米粒子材料对乙醇具有更高的氧化活性。

图5对应的是石墨烯材料负载二元金属纳米粒子材料在1mnaoh+1mc2h5oh中的时间电流曲线。从图中可以看出，pd1ni1/g在乙醇溶液中的时间电流曲线更高。经过3600s后，pd1ni1/g的电流保持为109mamg^-1，相比于pd/g的28mamg^-1高出3.8倍。从而证明了石墨烯材料负载二元金属纳米粒子材料在乙醇中具有更好的电化学稳定性。

图6对应的是石墨烯材料负载三元金属纳米粒子材料在1mnaoh+1mc2h5oh中的循环伏安图。从图中可以看出，pd1ni1p/g具有较大的正扫乙醇氧化电流密度为2010mamg^-1相比于pd1ni1/g的正扫乙醇氧化电流密度的1.6倍，从而证明石墨烯材料负载三元金属纳米粒子材料对乙醇具有优先氧化的能力，得到更高的氧化活性。

图7对应的是石墨烯材料负载三元金属纳米粒子材料在1mnaoh+1mc2h5oh中的时间电流曲线。从图中可以看出，pd1ni1p/g在乙醇溶液中的时间电流曲线更高。经过3600s后，pd1ni1p/g的电流保持为156mamg^-1，相比于pd1ni1/g的109mamg^-1高出1.43倍。从而证明了石墨烯材料负载三元金属纳米粒子材料相对于二元催化剂在乙醇中具有更好的电化学稳定性。

实施例2

一种石墨烯材料负载多元金属纳米粒子材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）石墨烯材料的制备

①在三口烧瓶中加入1~3g石墨，1~3g过硫酸钾和1~3g五氧化二磷，然后加入20~50ml浓硫酸（边加边搅拌），磁力搅拌均匀后，缓慢升温至80℃，继续反应5小时结束后，冷却至室温，缓慢将其倒入冰水混合物中，搅拌至溶液放热完全后，过滤并用去离子水多次洗涤，真空烘箱中干燥得到产物预氧化石墨。

②将预氧化石墨加入到三口烧瓶中，加入20~50ml浓硫酸，室温磁力搅拌1h至形成黑色均一的分散液。称取5~15g高锰酸钾固体，缓慢加入到预氧化石墨粉和浓硫酸的混合溶液中，该过程必须保持冰水浴。待高锰酸钾完全加入后，撤去冰水浴，室温下搅拌1h后缓慢升温至35℃，反应2h。反应结束后，将反应液缓慢倒入大量的冰水混合物中，搅拌至溶液放热完全后，随后加入5~10ml双氧水，溶液颜色变为金黄色，离心，收集沉淀。将沉淀用10%稀盐酸离心洗涤6次，至上清液澄清透明。然后用去离子水离心洗涤，收集底部氧化石墨产物。将氧化石墨（go）产物分散在去离子水中以备用。

（2）石墨烯材料负载二元金属纳米粒子材料的制备

称取20~30mggo分散在30ml去离子水中，超声剥离go，加入柠檬酸三钠及20~100mg贵金属前驱体（氯亚钯酸钾和乙酸铜）；所述的石墨烯材料和络合剂的质量比为1:5，持续搅拌，调节ph为8~14，再用蠕动泵以最低速度加入还原剂硼氢化钾，贵金属前驱体和还原剂的质量比为1:50，持续搅拌3h，真空干燥后即得到石墨烯材料负载二元金属纳米粒子材料。

实施例3

（1）石墨烯材料的制备

①在三口烧瓶中加入1~3g石墨，1~3g过硫酸钾和1~3g五氧化二磷，然后加入20~50ml浓硫酸（边加边搅拌），磁力搅拌均匀后，缓慢升温至80℃，继续反应5小时结束后，冷却至室温，缓慢将其倒入冰水混合物中，搅拌至溶液放热完全后，过滤洗涤，真空烘箱中干燥得到产物预氧化石墨。

②将预氧化石墨加入到三口烧瓶中，加入20~50ml浓硫酸，室温磁力搅拌1h至形成黑色均一的分散液。称取5~15g高锰酸钾固体，缓慢加入到预氧化石墨粉和浓硫酸的混合溶液中，该过程必须保持冰水浴。待高锰酸钾完全加入后，撤去冰水浴，室温下搅拌1h后缓慢升温至35℃，反应2h。反应结束后，将反应液缓慢倒入大量的冰水混合物中，搅拌至溶液放热完全后，随后加入5~10ml双氧水，溶液颜色变为金黄色，离心，收集沉淀。将沉淀用10%稀盐酸离心洗涤6次，至上清液澄清透明。然后用去离子水离心洗涤，收集底部氧化石墨产物。将氧化石墨（go）产物分散在去离子水中以备用。

（2）石墨烯材料负载三元金属纳米粒子材料的制备

称取20~30mggo分散在30ml去离子水中，超声剥离go，加入络合剂ctab及20~100mg贵金属前驱体（氯亚钯酸钾和乙酸镍、硼酸）；所述的石墨烯材料和络合剂的质量比为1:5，持续搅拌，调节ph为8~14，再用蠕动泵以最低速度加入还原剂硼氢化钠，贵金属前驱体和还原剂的质量比为1:50，持续搅拌3h，真空干燥后即得到石墨烯材料负载三元金属纳米粒子材料。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。