一种氮掺杂三维石墨烯催化剂及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种氮掺杂三维石墨烯催化剂及其制备方法，属于新能源纳米材料领域及催化技术领域。其特征在于：采用氧化石墨烯、含氮物、甲醛通过水热反应制备具有甲醛树脂生成的三维石墨烯材料，然后通过保护气氛下的高温热处理制备氮掺杂三维石墨烯。通过调节反应前的投料比和热处理温度制备了不同含氮量的氮掺杂三维石墨烯，所制备的氮掺杂三维石墨烯具有较高催化活性和稳定性，可应用于超级电容器的电极材料和燃料电池的阴极催化剂材料。
【专利说明】
一种氮掺杂三维石墨烯催化剂及其制备方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种氮掺杂三维石墨稀催化剂及其制备方法，属于新能源纳米材料领域及催化技术领域。
【背景技术】
[0002]目前燃料电池阴极催化剂主要是贵金属铂及其合金纳米粒子，其抗毒化能力差和高额的成本严重阻碍着燃料电池行业的大规模产业化。发展新型低成本且高效的催化剂以取代贵金属铂催化剂是当前燃料电池发展中急需解决的一个重大问题。目前非贵金属催化剂的研究主要集中在过渡金属氮化物、硫化物、氧化物等，然而这类材料的导电性能不高，限制了其应用。碳材料由于具有优异的电学性质、高的物理化学稳定性和高的比表面积，因此常用做电极材料。元素掺杂的碳材料具有优异的抗甲醇氧化性和对氧还原的高活性和选择性等优点，使其成为非贵金属催化剂研究中的热点。
[0003]元素掺杂碳材料中的元素选择有N、B、P、S、卤族元素等，其中，N掺杂碳材料具有良好的催化性能，是主要的研究方向。石墨烯(Graphene，GE)是一种二维蜂窝状网络结构的单片层新型碳材料，它具有高的理论比表面积(2630πι2/^)、远优于硅片的载流子迀移率(15000-25000cm2/Vs)和良好的热导率(5000W/mK)。氮掺杂的石墨烯可以打开GE的能带隙并调整导电类型，使GE的电子结构发生改变，进而提高GE的自由载流子密度，从而改善GE的导电性和稳定性。从氧化还原反应(Oxygen reduct1n react1n，0RR)催化剂的角度出发，GE中引入氮元素之后，氮原子产生的一对孤电子可与GE碳骨架中的大键间形成离域的共轭体系，使得GE中C原子的电荷密度分布发生改变，在表面产生有利于ORR的催化活性位点，从而提高了氮掺杂石墨烯的电催化活性。目前石墨烯的氮掺杂方法主要有溶剂热法、化学气相沉积法(CVD法)、电弧放电法和氮等离子放电法等，这些方法存在工艺复杂、昂贵或有毒前驱体(如氨气、吡啶)等缺点，导致产品的成本高且容易对实验人员带来伤害和造成环境污染。因此，开发一种新颖、简单和绿色的方法制备氮掺杂石墨烯是非贵金属燃料电池催化剂研究的热点。
[0004]石墨烯具有疏水的性质，在实际的研究当中很难直接用来修饰和加工。其衍生物氧化石墨稀(Graphene oxide,GO)因表面富含羧基、轻基和羰基等含氧官能团而拥有良好的水溶分散性，这为GO的进一步改性提供了很好的可操作性。比如通过添加一定的交联剂和提供一定的温度和压力，GO可以发生皱缩形成三维的水凝胶。三维石墨烯具有较高的实际比表面积、丰富的孔道结构和优异的电子传输速度，为提高催化剂的电子传输和质量传输创造了良好的条件。开发新型氮掺杂三维石墨烯的制备可进一步提高催化剂的催化活性，这对燃料电池非贵金属催化剂的研究很有意义。我们自主发明一步法合成了三维氮掺杂石墨稀的制备，所制备的氮掺杂三维石墨稀(Nitrogen doped three-dimens1nalgraphene, N_3DrG0)具有较高的比表面积，在碱性测试条件下也呈现出优异的ORR性能。
【发明内容】
[0005]本发明是为了提供一种工艺简单、成本低廉和绿色环保的方法制备具有高效ORR性能的燃料电池非贵金属催化剂。其特征在于:首先采用G0、含氮物、甲醛通过水热反应制备具有甲醛树脂生成的三维石墨烯材料，然后通过保护气氛下的高温热处理制备N-3DrG0，该N-3DrG0的比表面积可高达402.6m2/g，氮的掺杂量更是高达9.69%,相对于其他方法，该方法简便易行且获得了高比表面积和高氮掺杂量的三维石墨烯。
[0006]其原理在于:含氮物和甲醛可在一定的温度、压力条件下反应生成甲醛树脂，甲醛树脂可以起到交联剂的作用将高浓度的GO联结在一起使GO片层发生皱缩重组从而形成三维结构，保护气氛下的高温热处理可以实现石墨烯的氮掺杂过程。
[0007]此外，该方法中的含氮物可以是吡咯、吡唑、咪唑、吡啶、嘧啶、嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶、三聚氰胺、苯胺、甲胺、乙二胺、二异丙胺、N，N_ 二甲基苯胺和尿素中的一种，调节反应前的投料比和热处理温度可制备不同比例和氮掺杂三维石墨烯。
[0008]上述氮掺杂三维石墨烯的制备工艺为:
[0009 ] I)将GO加入去离子水中配成GO分散液。
[0010]2)将含氮物和甲醛溶液加入到上述GO分散液中，搅拌并超声均匀得到混合溶液。
[0011]3)将上述混合溶液转移到高压反应釜中反应，得到具有甲醛树脂生成的三维石墨烯混合溶液。
[0012]4)将上述三维石墨烯混合溶液水洗、真空干燥。
[0013]5)将真空干燥得到的样品在保护气氛下，热处理得到N-3DrG0。
[0014]上述步骤I)中，GO分散液的浓度为5-15mg/mL，优选10mg/mL。
[0015]上述步骤2)中，甲醛溶液的质量百分浓度为37wt%，G0和含氮物质量比的范围为1:0.5?1:4.5，优选1:1.5;含氮物和甲醛的摩尔比范围为1:2?1:5，优选1:3。
[0016]上述步骤3)中，反应温度为120?200 V，反应时间为8?20h，优选的反应温度是180 °C，优选的反应时间是12h。
[0017]上述步骤4)中，水洗采用去离子水水洗，次数为3遍，真空干燥的温度为80°C，真空干燥的时间20h。
[0018]上述步骤5)中的保护气氛为氮气或氩气，热处理的温度范围为500?950°C，热处理的时间范围为3?8h，热处理的温度和时间会影响石墨烯的氮掺杂量，需要尝试不同的热处理温度和热处理时间，以确定最佳热处理温度和时间。
[0019]本发明的优势在于采用含氮物和甲醛的反应生成物甲醛树脂可对GO起到交联和填充的作用，从而替代传统的模板法构建三维石墨烯的制备，克服了模板法中苛刻的工艺要求，且弥补了冷冻干燥法所制备三维石墨烯韧性的不足。采用简单的热处理工艺可以使甲醛树脂热解从而实现具有高比表面积(402.6m2/g)和高氮掺杂量(9.69%)的N-3DrG0的制备。此外，引入B源、S源和P源可实现石墨烯的多种元素共掺杂三维石墨烯的制备，进一步提高其ORR催化性能。
【附图说明】
[0020]图1是实施例1中所获得热处理前N-3DrG0的SEM图。
[0021 ] 图2是实施例2中所获得热处理后N-3DrG0的SEM图。
[0022]图3是实施例2中所获得N-3DrG0的TEM图。
[0023]图4是实施例3中所获得N-3DrG0的BET和孔径分布图。
[0024]图5是实施例2中所获得N-3DrG0的XPS图。
[0025]图6是实施例2中所获得N-3DrG0催化剂的氧还原反应的循环伏安曲线。
[0026]图7是实施例2中所获得N-3DrG0催化剂以及商业Pt/C(20%)的氧还原反应的极化曲线图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。
[0028]实施例1
[0029]采用水热法制备氮掺杂三维石墨烯。
[0030]具体的制备步骤如下:
[0031]I)将0.1g的GO加入1mL的去离子水中配成质量浓度为10mg/mL的GO分散液。
[0032]2)将0.158的三聚氰胺和0.271^的甲醛溶液(37的％)以摩尔比为1:3加入上述60分散液中，搅拌并超声均匀。
[0033]3)将上述混合溶液转移到高压反应釜中180°C条件下反应12h，得到具有三聚氰胺甲醛树脂生成的三维石墨烯混合溶液。
[0034]4)将上述混合溶液用去离子水水洗3遍，并80°C条件下真空干燥20h。获得有三聚氰胺甲醛树脂的三维石墨烯。
[0035]采用扫描电子显微镜对所获得的有三聚氰胺甲醛树脂生成的氮掺杂三维石墨烯进行形貌表征。
[0036]图1是实施例1中制备步骤4)反应得到的三聚氰胺甲醛树脂三维石墨烯的SEM图，从图中可以看到块状的三聚氰胺甲醛树脂和有明显褶皱及三维结构的石墨烯。
[0037]实施例2
[0038]实施例2的步骤与实施例1中类似，其他反应条件不变，只是多了步骤5)将真空干燥得到的三聚氰胺甲醛树脂三维石墨烯通过在氩气保护气氛下750°C热处理5h获得N-3DrG0。图2为实施例2获得N-3DrG0的SEM图，从图中可以看出图1中的块状三聚氰胺甲醛树脂已经不见，说明高温热处理可以使其分解，并且图2b中可以看到三维石墨烯的片层中有较小的孔洞结构。
[0039]图3为实施例2中所获得N-3DrG0的TEM图，从图3a中可以看到石墨烯片层上有明显的褶皱和网络状结构，并且从图3b中可以看到该石墨烯片层与GO片层大不相同，其片层上有一定的缺口和破碎边缘，这表明已成功制备氮掺杂三维石墨烯。
[0040]实施例3
[0041 ]实施例3的步骤与实施例2中类似，只是步骤2)中的三聚氰胺用量改为0.35g，G0和三聚氰胺质量比变为1:3.5，甲醛溶液(37wt % )的用量改为0.63mL，保持三聚氰胺和甲醛的摩尔比1:3不变，并且其他反应条件不变。
[0042]图4是实施例3中所获得N-3DrG0的比表面积和孔径分布图，从图中可以看出该N-3DrG0具有较高的比表面积(402.6m2/g)和以介孔分布为主的孔径分布，平均孔径达
0.517cm3/g0
[0043]图5为实施例2中所获得N-3DrG0的XPS能谱图，从图5a中可以看到N-3DrG0在399.5eV出现了一个Nls峰，说明三维石墨烯实现了氮掺杂(元素分析结果显示氮掺杂量高达9.69% (原子分数))；并且图5b中Nls出现三种类型的氮，吡啶氮、吡咯氮以及石墨氮分别对应398.2,400.0和401.0eV，表明三维石墨烯实现了不同氮掺杂形式。
[0044]图6为实施例2中所获得N-3DrG0在氮气和氧气饱和下的CV图，电解液为0.1M的KOH溶液，扫描窗口为-1.0-0.2V(vs.Ag/Ag Cl)，扫描速度为50mV/s。从图中可以看出，与氮气饱和下的CV曲线相比，氧气饱和下的CV曲线在-0.28V条件下出现了一个明显的氧气还原峰，表明N-3DrG0电极在ORR中呈现出良好的电催化活性。
[0045]图7为实施例2中所获得N-3DrG0和商业Pt/C(20wt%)催化剂在1600rpm转速下的LSV曲线图，电解液为0.1M的KOH溶液，扫描窗口为-1.0-0.2V(vs.Ag/Ag Cl)，扫描速度为50mV/s。结果显示:所制备的N-3DrG0催化剂的起始电位与商业Pt/C(20wt%)催化剂接近，而极限电流密度已经超过商业Pt/C( 20wt % )催化剂。
【主权项】
1.一种氮掺杂三维石墨烯催化剂的制备方法，其特征在于:首先采用氧化石墨烯、含氮物、甲醛通过水热反应制备具有甲醛树脂生成的三维石墨烯材料，然后通过保护气氛下的高温热处理制备得到氮掺杂三维石墨烯催化剂(N-3DrG0)。2.根据权利要求1中所述的一种氮掺杂三维石墨烯催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤: 1)将GO加入去离子水中配成GO分散液； 2)将含氮物和甲醛溶液加入到上述GO分散液中，搅拌并超声均匀得到混合溶液； 3)将上述混合溶液转移到高压反应釜中反应，得到具有甲醛树脂生成的三维石墨烯混合溶液； 4)将上述三维石墨烯混合溶液水洗、真空干燥； 5)将真空干燥得到的样品在保护气氛下，热处理得到N-3DrG0。3.根据权利要求2所述的一种氮掺杂三维石墨烯催化剂的制备方法，其特征在于:步骤1)中，GO分散液的浓度为5-15mg/mL，优选I Omg/ mL。4.根据权利要求2所述的一种氮掺杂三维石墨烯催化剂的制备方法，其特征在于:步骤2)中，甲醛溶液的质量百分浓度为37wt%，GO和含氮物质量比的范围为1:0.5?1:4.5，优选1:1.5;含氮物和甲醛的摩尔比范围为1:2?1:5，优选1:3。5.根据权利要求2所述的一种氮掺杂三维石墨烯催化剂的制备方法，其特征在于:步骤3)中，反应温度为120?200°C，反应时间为8?20h，优选的反应温度是180°C，优选的反应时间是12h。6.根据权利要求2所述的一种氮掺杂三维石墨烯催化剂的制备方法，其特征在于:步骤4)中，水洗采用去离子水水洗，次数为3遍，真空干燥的温度为80°C，真空干燥的时间20h。7.根据权利要求2所述的一种氮掺杂三维石墨烯催化剂的制备方法，其特征在于:步骤5)中的保护气氛为氮气或氩气，热处理的温度范围为500?950°C，热处理的时间范围为3?8h;最优热处理温度为750°C，最优热处理时间为5h。8.根据权利要求1或2所述的一种氮掺杂三维石墨烯催化剂的制备方法，其特征在于:所述含氮物为吡咯、吡唑、咪唑、吡啶、嘧啶、嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶、三聚氰胺、苯胺、甲胺、乙二胺、二异丙胺、N，N-二甲基苯胺和尿素中的一种。9.根据权利要求8所述的一种氮掺杂三维石墨烯催化剂的制备方法，其特征在于:所述含氮物为三聚氰胺。10.根据权利要求1-9中任一所述制备方法制备的氮掺杂三维石墨烯催化剂用做超级电容器的电极材料和燃料电池中的非贵金属阴极催化剂材料的用途。
【文档编号】H01M4/88GK105938908SQ201610402705
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】李毅, 杨娟, 徐凯, 黄骥培, 周亚洲, 高帅
【申请人】江苏大学