一种石墨烯/类石墨相氮化碳/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料的制备方法及其应用技术

技术编号:20374215 阅读:66 留言:0更新日期:2019-02-19 20:38
一种石墨烯/类石墨相氮化碳/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料的制备方法及其应用,涉及一种石墨烯的多级纳米结构复合材料的制备方法及其应用。本发明专利技术是要解决现有的目前甲醇氧化催化活性低、比表面积小的技术问题。本发明专利技术:一、制备氧化石墨烯溶液、Na2PdCl4溶液和g‑C3N4分散液;二、制备电解液;三电沉积。本发明专利技术的复合材料作为甲醇氧化催化剂。本发明专利技术的制备方法具有工艺简单,绿色环保,操作快捷的优点;本方法制得的石墨烯/g‑C3N4/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料可以广泛用于电催化氧化领域。

Preparation and Application of Graphene/Graphite-like Carbon Nitride/Palladium Nanoparticles Multistage Nanostructured Composites

The preparation method and application of a graphene/graphite-like carbon nitride/palladium nanoparticle multistage nanostructure composite material involve the preparation method and application of a graphene multistage nanostructure composite material. The invention aims to solve the technical problems of low catalytic activity and small specific surface area of methanol oxidation at present. The invention comprises: 1. preparation of graphene oxide solution, Na2PdCl4 solution and g_C3N4 dispersion solution; 2. preparation of electrolyte; and 3-electrodeposition. The composite material of the invention acts as a catalyst for methanol oxidation. The preparation method of the present invention has the advantages of simple process, green environmental protection and fast operation, and the graphene/g_C3N4/Pd nanoparticles multistage nanostructure composite prepared by the method can be widely used in the field of electrocatalytic oxidation.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/类石墨相氮化碳/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料的制备方法及其应用
一种石墨烯的多级纳米结构复合材料的制备方法及其应用。
技术介绍
直接甲醇燃料电池(directmethanolfuelcells,DMFC)与气体燃料电池相比,甲醇易于储备和运输,具有较高的能量转换效率,反应产物主要为水和少量二氧化碳,是环境友好的绿色能源,因此日益受到广泛关注。DMFC预计将是十分理想的可移动或者小型化电源之一,在交通、通讯、军事、航天等方面具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场。目前,直接甲醇燃料电池(DMFC)基础研究中有三个关键问题值得特别关注:一是低温下甲醇在阳极上的电催化氧化反应活性较低,极化严重,需要克服较高的极化电势才能保证一定的反应速率;二是甲醇透过Nafion膜向阴极渗透现象严重;三是催化剂长期稳定性不是很理想。若提高阳极催化剂活性,则甲醇可以被快速消耗掉,不仅有利于提高甲醇的利用率,而且可以降低阳极和电解质界面间的甲醇浓度,减小渗透压力,从而降低甲醇渗透对电池性能的影响。一般地,对高性能电极催化剂主要有以下几个要求:(1)电催化活性高;(2)稳定性好,抗中毒性强;(3)比表面积较大和导电性好。石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维新型碳材料,具有类似于密集蜂巢的超大共轭结构。自从2004年海姆和诺沃肖洛夫首次利用机械剥离方法得到高纯度单层石墨烯之后,石墨烯就受到了广泛的关注。石墨烯具有大的比表面积(~2600m2.g–1),高导电性,强的机械强度和弹性以及高的透明度,基于石墨烯的这些优异性质,石墨烯被广泛的运用于合成纳米复合材料,制造化学生物传感器,以及其他一些电化学原件等等。石墨烯的复合材料也广泛用于各种催化剂的改性,以提高其催化性能。研究事实也证明石墨烯的存在也的确很好的提高了各类催化的催化性能。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有的目前甲醇氧化催化活性低、比表面积小的技术问题,而提供一种石墨烯/类石墨相氮化碳/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料的制备方法及其应用。本专利技术的石墨烯/类石墨相氮化碳/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料的制备方法是按以下步骤进行的:一、将氧化石墨在pH为6.0的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中超声分散3h~3.5h,得到浓度为0.2g/L~0.25g/L的氧化石墨烯溶液;将PdCl2和NaCl均匀混合,然后加入二次水,在室温下磁力搅拌10h~11h,得到浓度为0.1mol/L~0.12mol/L的Na2PdCl4溶液;所述的NaCl和PdCl2的质量比为0.65:1;将三聚氰胺放入马沸炉中,在升温速率为2.3℃/min~2.5℃/min的条件下从室温上升至550℃~600℃,在温度为550℃~600℃的条件下保温3h~5h,然后在降温速率为1℃/min的条件下降至室温,得到块状g-C3N4,将块状g-C3N4研磨成粉末状g-C3N4,再将粉末状g-C3N4放入超纯水中进行超声剥离10h~12h,得到乳白色g-C3N4分散液;所述的粉末状g-C3N4的质量与超纯水的体积比为1g:(2L~2.2L);二、制备电解液:将步骤一制备的氧化石墨烯溶液、Na2PdCl4溶液和g-C3N4分散液均匀混合,搅拌5min~10min,通入高纯氮气30min~35min,得到混合液;所述的g-C3N4分散液与氧化石墨烯溶液的体积比为1:(10~11);所述的g-C3N4分散液与Na2PdCl4溶液的体积比为1:(0.35~0.45);三、电沉积:将玻碳电极或Ti片作为工作电极,以Pt电极作为对电极,以饱和甘汞电极作为参比电极组成三电极系统,将步骤二制备的混合液作为电解液,打开磁力搅拌器开始搅拌,并且通入高纯氮气开始电沉积,电沉积电压扫描时先从–1.4V到0.6V再回到–1.4V为一圈,扫描速率为50mVs–1,循环的圈数为10,得到石墨烯/g-C3N4/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料。本专利技术的石墨烯/g-C3N4/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料作为甲醇氧化催化剂。本专利技术的制备方法具有工艺简单,绿色环保,操作快捷的优点;制备的石墨烯/g-C3N4/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料有效地减少了制备的石墨烯聚集而带来的石墨烯比表面减小的现象。本方法制得的石石墨烯/g-C3N4/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料可以广泛用于电催化氧化领域。由本专利技术制备的石墨烯/g-C3N4/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料修饰的玻碳电极的电流密度可以高达0.131Acm–2。本专利技术制备的石墨烯/g-C3N4/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料中的钯纳米粒子直径约为8nm,并且均匀密集的固定在石墨烯和g-C3N4(类石墨相氮化碳)复合片层两边,形成石墨烯/g-C3N4/钯纳米粒子复合片层,该片层会在工作电极基底上形成比表面积较大的多级纳米结构。附图说明图1是试验二制备的平面结构的石墨烯/g-C3N4/钯纳米粒子复合材料的SEM图;图2和是试验一制备的石墨烯/g-C3N4/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料的SEM图;图3是试验一制备的石墨烯/g-C3N4/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料的SEM图;图4是试验一制备的石墨烯/g-C3N4/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料的XPS表征图;图5为试验四中的测试得到的循环伏安曲线图;图6为试验四中的测试得到的计时电流图。具体实施方式具体实施方式一:本实施方式为一种石墨烯/类石墨相氮化碳/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料的制备方法,具体是按以下步骤进行的:一、将氧化石墨在pH为6.0的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中超声分散3h~3.5h,得到浓度为0.2g/L~0.25g/L的氧化石墨烯溶液;将PdCl2和NaCl均匀混合,然后加入二次水,在室温下磁力搅拌10h~11h,得到浓度为0.1mol/L~0.12mol/L的Na2PdCl4溶液;所述的NaCl和PdCl2的质量比为0.65:1;将三聚氰胺放入马沸炉中,在升温速率为2.3℃/min~2.5℃/min的条件下从室温上升至550℃~600℃,在温度为550℃~600℃的条件下保温3h~5h,然后在降温速率为1℃/min的条件下降至室温,得到块状g-C3N4,将块状g-C3N4研磨成粉末状g-C3N4,再将粉末状g-C3N4放入超纯水中进行超声剥离10h~12h,得到乳白色g-C3N4分散液;所述的粉末状g-C3N4的质量与超纯水的体积比为1g:(2L~2.2L);二、制备电解液:将步骤一制备的氧化石墨烯溶液、Na2PdCl4溶液和g-C3N4分散液均匀混合,搅拌5min~10min,通入高纯氮气30min~35min,得到混合液;所述的g-C3N4分散液与氧化石墨烯溶液的体积比为1:(10~11);所述的g-C3N4分散液与Na2PdCl4溶液的体积比为1:(0.35~0.45);三、电沉积:将玻碳电极或Ti片作为工作电极,以Pt电极作为对电极,以饱和甘汞电极作为参比电极组成三电极系统,将步骤二制备的混合液作为电解液,打开磁力搅拌器开始搅拌,并且通入高纯氮气开始电沉积,电沉积电压扫描时先从–1.4V到0.6V再回到–1.4V为一圈,扫描速率为50mVs–1,循环的圈数为10,得到石墨烯/g-C3N4/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料。具体实施方式本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种石墨烯/类石墨相氮化碳/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料的制备方法,其特征在于石墨烯/类石墨相氮化碳/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料的制备方法是按以下步骤进行的:一、将氧化石墨在pH为6.0的柠檬酸‑柠檬酸钠缓冲溶液中超声分散3h~3.5h,得到浓度为0.2g/L~0.25g/L的氧化石墨烯溶液;将PdCl2和NaCl均匀混合,然后加入二次水,在室温下磁力搅拌10h~11h,得到浓度为0.1mol/L~0.12mol/L的Na2PdCl4溶液;所述的NaCl和PdCl2的质量比为0.65:1;将三聚氰胺放入马沸炉中,在升温速率为2.3℃/min~2.5℃/min的条件下从室温上升至550℃~600℃,在温度为550℃~600℃的条件下保温3h~5h,然后在降温速率为1℃/min的条件下降至室温,得到块状g‑C3N4,将块状g‑C3N4研磨成粉末状g‑C3N4,再将粉末状g‑C3N4放入超纯水中进行超声剥离10h~12h,得到乳白色g‑C3N4分散液;所述的粉末状g‑C3N4的质量与超纯水的体积比为1g:(2L~2.2L);二、制备电解液:将步骤一制备的氧化石墨烯溶液、Na2PdCl4溶液和g‑C3N4分散液均匀混合,搅拌5min~10min,通入高纯氮气30min~35min,得到混合液;所述的g‑C3N4分散液与氧化石墨烯溶液的体积比为1:(10~11);所述的g‑C3N4分散液与Na2PdCl4溶液的体积比为1:(0.35~0.45);三、电沉积:将玻碳电极或Ti片作为工作电极,以Pt电极作为对电极,以饱和甘汞电极作为参比电极组成三电极系统,将步骤二制备的混合液作为电解液,打开磁力搅拌器开始搅拌,并且通入高纯氮气开始电沉积,电沉积电压扫描时先从–1.4V到0.6V再回到–1.4V为一圈,扫描速率为50mV s–1,循环的圈数为10,得到石墨烯/g‑C3N4/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料。...

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/类石墨相氮化碳/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料的制备方法,其特征在于石墨烯/类石墨相氮化碳/钯纳米粒子多级纳米结构复合材料的制备方法是按以下步骤进行的:一、将氧化石墨在pH为6.0的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中超声分散3h~3.5h,得到浓度为0.2g/L~0.25g/L的氧化石墨烯溶液;将PdCl2和NaCl均匀混合,然后加入二次水,在室温下磁力搅拌10h~11h,得到浓度为0.1mol/L~0.12mol/L的Na2PdCl4溶液;所述的NaCl和PdCl2的质量比为0.65:1;将三聚氰胺放入马沸炉中,在升温速率为2.3℃/min~2.5℃/min的条件下从室温上升至550℃~600℃,在温度为550℃~600℃的条件下保温3h~5h,然后在降温速率为1℃/min的条件下降至室温,得到块状g-C3N4,将块状g-C3N4研磨成粉末状g-C3N4,再将粉末状g-C3N4放入超纯水中进行超声剥离10h~12h,得到乳白色g-C3N4分散液;所述的粉末状g-C3N4的质量与超纯水的体积比为1g:(2L~2.2L);二、制备电解液:将步骤一制备的氧化石墨烯溶液、Na2PdCl4溶液和g-C3N4分散液均匀混合,搅拌5min~10min,通入高纯氮气30min~35min,得到混合液;所述的g-C3N4分散液与氧化石墨烯溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员:杨利明陈政霖罗胜联
申请(专利权)人:南昌航空大学
类型:发明
国别省市:江西,36

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