掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子的三元复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子的三元复合材料及其制备方法和应用；该方法包括以下步骤：1)将含碳的氮源进行热处理以得到掺氮碳球；2)接着将掺氮碳球溶液涂覆于玻碳表面以形成掺氮碳球修饰玻碳电极；3)将氧化石墨烯分散于缓冲溶液中以形成氧化石墨烯溶液，在氧化石墨烯溶液中，以掺氮碳球修饰玻碳电极为工作电极、铂电极为对电极、甘汞电极为参比电极通过循环伏安法(CV)进行电沉积处理以制得石墨烯/掺氮碳球修饰玻碳电极；4)将石墨烯/掺氮碳球修饰玻碳电极浸泡于含铂电解液中通过恒电位电沉积处理以制得掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子三元复合材料。该方法清洁、高效且不会破坏石墨烯的大片层结构。

【技术实现步骤摘要】
掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子的三元复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及复合材料，具体地，涉及一种石墨烯/聚多巴胺/铂复合材料及其制备方法以及应用。
技术介绍
目前，石墨烯的合成方法主要有机械剥落法、化学气相沉积、电化学合成法等。其中，电化学合成法是一种绿色、清洁、有效、快速且非破坏性的制备石墨烯的方法，它可以通过调节电位来改变电极表面材料的费米能级以改变材料的电子状态，从而可控的对材料进行修饰和还原。石墨烯是由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成，其厚度仅为0.35nm，C-C键长为0.142nm。因其独特的结构，而表现出许多优良的电学、光学、热学和机械性能，例如比表面积大，丰富的电活性位点。单电子层厚度的石墨烯片2D平面几何结构有利于增强电子转移。因此，将石墨烯作为基底材料制备多元复合材料结合了石墨烯和其他组分的优异性能，能源化学方便具有很好的应用前景。目前，燃料电池作为一种可再生的可清洁能源很受欢迎，但是燃料电池的阴极氧还原催化反应是阻碍燃料电池进一步发展的瓶颈。根据文献报道，氮掺杂石墨烯对氧还原反应具有很高的催化活性，但是现有的氮掺杂石墨烯材料的分散不好，且掺氮不均匀；目前大多数的氮掺杂石墨烯材料在作为氧还原催化剂过程中，不温度，导致催化效果差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子的三元复合材料及其制备方法和应用，该掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子的三元复合材料能够高效催化燃料电池阴极氧还原反应，进而使得其能够在氧还原催化反应中作为催化剂；且该三元复合材料的制备方法具有绿色、清洁、高效且不会破坏石墨烯的结构、保持石墨烯原有优势等优点。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子的三元复合材料，其中，三元复合材料的复合组分为石墨烯、掺氮碳球和铂纳米粒子。本专利技术还提供了一种掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子的三元复合材料的制备方法，其中，制备方法包括以下步骤：1)将含碳的氮源进行热处理以得到掺氮碳球；2)将掺氮碳球溶解于溶剂中形成掺氮碳球溶液，接着将掺氮碳球溶液涂覆于玻碳表面以形成掺氮碳球修饰玻碳电极；3)将氧化石墨烯分散于缓冲溶液中以形成氧化石墨烯溶液，在所述氧化石墨烯溶液中，以掺氮碳球修饰玻碳电极为工作电极、铂电极为对电极、甘汞电极为参比电极通过循环伏安法(CV)进行电沉积处理以制得石墨烯/掺氮碳球修饰玻碳电极；4)将石墨烯/掺氮碳球修饰玻碳电极浸泡于含铂电解液中通过恒电位电沉积处理以制得掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子三元复合材料。本专利技术还提供了一种如上述的掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子的三元复合材料在燃料电池阴极的氧还原催化反应中的应用。在上述技术方案中，本专利技术通过先制备掺氮碳球，接着制备掺氮碳球修饰玻碳电极；然后又在掺氮碳球修饰玻碳电极的基础上进行CV法电沉积石墨烯以制得石墨烯/掺氮碳球修饰玻碳电极；最后又在石墨烯/掺氮碳球修饰玻碳电极表面通过恒电位电沉积铂纳米粒子，最终得到了掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子三元复合材料；其中在本专利技术中该掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子三元复合材料是以负载在玻碳电极的表面的形式存在的。该掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子三元复合材料能够高效催化燃料电池的阴极氧还原反应。同时，本专利技术中制备掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子三元复合材料的方法清洁、高效且不会破坏石墨烯的大片层结构。本专利技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1是检测例1的表征结果图；图2是检测例2的表征结果图；图3是检测例3的表征结果图；图4是应用例1的实验结果图；图5是应用例2的实验结果图；图6是应用例3的实验结果图；图7是根据图5得出的Koutecky-Levich曲线图；图8是应用例4的实验结果图。具体实施方式以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。本专利技术提供了一种掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子的三元复合材料，该三元复合材料的复合组分为石墨烯、掺氮碳球和铂纳米粒子。该三元复合材料中为负载在玻碳电极表面的复合材料；首先，掺氮碳球涂覆在电极表面，其次，石墨烯通过电沉积在掺氮碳球的表面；最后将铂纳米粒子沉积在石墨烯表面以得到三元复合材料。在该三元复合材料中，复合组分钟掺氮碳球中的氮源可以在宽的范围内进行选择，如所用氮源可以为聚多巴胺球、壳聚糖球、聚苯胺纳米球和聚吡咯纳米球中的至少一者。但是，为了更进一步地提高三元复合材料的制备产率，由于聚多巴胺具有很好的聚合效果，故优选地，所用掺氮碳球中的氮源为聚多巴胺球。本专利技术中还提供了一种掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子的三元复合材料的制备方法，其中，该制备方法包括以下步骤：1)将含碳的氮源进行热处理以得到掺氮碳球；2)将掺氮碳球溶解于溶剂中形成掺氮碳球溶液，接着将掺氮碳球溶液涂覆于玻碳表面以形成掺氮碳球修饰玻碳电极；3)将氧化石墨烯分散于缓冲溶液中以形成氧化石墨烯溶液，在氧化石墨烯溶液中，以掺氮碳球修饰玻碳电极为工作电极、铂电极为对电极、甘汞电极为参比电极通过循环伏安法(CV)进行电沉积处理以制得石墨烯/掺氮碳球修饰玻碳电极；4)将石墨烯/掺氮碳球修饰玻碳电极浸泡于含铂电解液中通过恒电位电沉积处理以制得掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子三元复合材料。在上述的制备方法中，在步骤1)中，所用的含碳氮源可以在很宽的范围内进选择，比如：所用的氮源为可以聚多巴胺球、壳聚糖球、聚苯胺纳米球和聚吡咯纳米球中的至少一者。但是，为了提高三元复合材料的制备效率，故优选地，选用聚多巴胺球为氮源。另外，步骤1)中，需要对含碳的氮源进行热处理才能得到掺氮碳球,其中热处理的条件可以在宽的范围内选择，但是为了保证碳化成功并得到掺氮碳球，优选地，所用热处理的条件为：在惰性气氛中，先自20-35℃升温至700-900℃，接着在700-900℃维持1-1.5h后降温至20-40℃。上述的技术方案中，热处理的升温和降温的速率可以在很宽的范围内进行选择，但是为了提高掺氮碳球的制备率以及掺氮碳球的的催化性能，优选地，升温的速率为3-5℃/min，降温的速率为5-10℃/min。另外，在步骤2)中，将掺氮碳球溶解于溶剂中形成掺氮碳球溶液，并将制得的掺氮碳球溶液涂覆于玻碳表面以形成掺氮碳球修饰玻碳电极；其中，制备掺氮碳球溶液的溶剂可以在宽的范围内选择，比如：萘酚、丙酮、乙醇或水；但为了更有利于掺氮碳球对玻碳电极的修饰以及从经济的层面考虑，故优选地，所用溶剂为水。在将掺氮碳球涂覆于玻碳电极表面以制得掺氮碳球修饰玻碳电极，所用的掺氮碳球的浓度和涂覆量可以在宽的范围内选择，但是，为了更有利于复合材料的成功制备且提高复合材料的催化效果，优选地，掺氮碳球溶液中掺氮碳球的质量浓度为3-5mg/mL；且以表面积为7.065mm2的所述玻碳表面为基准，优选地，所用的涂覆量为3-6μL。在制备氧化石墨烯溶液时，所用的缓冲溶液可以在很宽泛的范围内选择，如磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲溶液、乙酸-乙酸钠缓冲溶液或Tris–盐酸缓冲溶液；但是为了进一步提高电沉积还原本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子的三元复合材料，其特征在于，所述三元复合材料的复合组分为石墨烯、掺氮碳球和铂纳米粒子。

【技术特征摘要】
1.一种掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子的三元复合材料，其特征在于，所述三元复合材料的复合组分为石墨烯、掺氮碳球和铂纳米粒子。2.根据权利要求1所述的三元复合材料，其中，所述掺氮碳球中的氮源为聚多巴胺球、壳聚糖球、聚苯胺纳米球和聚吡咯纳米球中的至少一者；优选地，所述氮源为聚多巴胺球。3.一种如权利要求1或2所述的掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子的三元复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)将含碳的氮源进行热处理以得到掺氮碳球；2)将所述掺氮碳球溶解于溶剂中形成掺氮碳球溶液，接着将所述掺氮碳球溶液涂覆于玻碳表面以形成掺氮碳球修饰玻碳电极；3)将氧化石墨烯分散于缓冲溶液中以形成氧化石墨烯溶液，在所述氧化石墨烯溶液中，以所述掺氮碳球修饰玻碳电极为工作电极、铂电极为对电极、甘汞电极为参比电极通过循环伏安法(CV)进行电沉积处理以制得石墨烯/掺氮碳球修饰玻碳电极；4)将所述石墨烯/掺氮碳球修饰玻碳电极浸泡于含铂电解液中通过恒电位电沉积处理以制得掺氮碳球/石墨烯/铂纳米粒子三元复合材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其中，所述氮源为聚多巴胺球、壳聚糖球、聚苯胺纳米球和聚吡咯纳米球中的至少一者；优选地，所述氮源为聚多巴胺球。5.根据权利要求3所述的制备方法，其中，所述热处理的条件为：在惰性气氛中，先自20-35℃升温至700-900℃，接着在700-900℃维持1-1.5h后降温至20-40℃。6.根据权利要求3-5中任意一项所述的制备方法，其中，所述升温的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王银玲，吴孝琴，张友良，王娟，
申请(专利权)人：安徽师范大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34