一种多孔石墨烯/镍碲复合催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于纳米复合材料领域，公开了一种多孔石墨烯/镍碲复合催化剂及其制备方法和应用。本发明专利技术采用表面化学沉积法将多孔石墨烯和镍碲催化剂进行复合。其中，镍碲颗粒在多孔石墨烯表面负载沉积，同时进入多孔石墨烯的多孔结构中，所获得的复合催化剂结合了两者的优点，既有镍碲催化剂的良好电化学活性，又有多孔石墨烯赋予的优异电学性能与化学稳定性等性能。基于协同增强机理，复合催化剂具有比单独催化剂更优越的性能。当复合催化剂用于质子交换膜燃料电池阴极催化剂时，新型燃料电池表现出高功率密度和良好耐久性的优点，使用安全性能良好且生产成本低，在实际应用中具有广阔的前景。

Porous graphene / nickel tellurium composite catalyst and preparation method and application thereof

The invention belongs to the field of nanocomposite materials, and discloses a porous graphene/nickel tellurium composite catalyst, a preparation method and application thereof. The invention uses surface chemical deposition to compounded porous graphene and nickel tellurium catalyst. Among them, nickel-tellurium particles were deposited on the surface of porous graphene and entered into the porous structure of porous graphene. The composite catalyst obtained combines the advantages of both the nickel-tellurium catalyst with good electrochemical activity and the excellent electrical and chemical properties endowed by porous graphene. Based on the synergistic enhancement mechanism, the composite catalyst has better performance than the single catalyst. When composite catalysts are used as cathode catalysts for proton exchange membrane fuel cell, the new fuel cell shows the advantages of high power density and good durability, good safety performance and low production cost, and has broad prospects in practical application.

【技术实现步骤摘要】
一种多孔石墨烯/镍碲复合催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米复合材料领域，特别涉及一种多孔石墨烯/镍碲复合催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有装置简单、操作温度低和产物无污染等优点，因而在不同类型的燃料电池中受到了广泛的关注。在PEMFC的结构研究和应用中，膜电极组催化层的催化剂占据了非常关键的地位。特别地，对于阴极催化剂来说，其氧化还原反应动力学缓慢，导致催化剂效率低以及催化剂用量高于阳极，从而引起电池整体转换效率低(MillingtonB,WhippleV,PolletBG.Anovelmethodforpreparingprotonexchangemembranefuelcellelectrodesbytheultrasonic-spraytechnique[J].JournalofPowerSources,2011,196(20):8500-8508.)。因此，为了提高PEMFC的电池效率，阴极催化剂的研究显得十分重要。一般而言，阴极催化剂包括铂金属、铂基合金和非铂基材料。铂金属成本昂贵、长期稳定性差和动力学过程缓慢，铂基合金在使用过程中常出现老化并部分或全部失活现象，上述缺陷限制了这两类催化剂的进一步发展。针对这些问题，非铂基材料的出现成为了有效的解决方法之一。在众多非铂基材料中，镍基、钌基和钴基等硫族金属催化剂表现出较为卓越的电池性能，其具有较高的氧化还原反应活性、较低成本等优点，使其成为最有可能取代铂基金属的一类催化剂(OthmanR,DicksAL,ZhuZ.NonpreciousmetalcatalystsforthePEMfuelcellcathode[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2012,37(1):357-372.)。此外，为了满足催化剂高活性、高导电率、良好的长期稳定性以及低成本的特征，一般会选择具有高比表面积、高导电性和良好化学稳定等特性的材料作为催化剂载体。催化剂载体可直接影响催化剂的分散、活性与稳定性。常用的载体材料包括了炭黑、碳纳米管、碳纤维及其改性物等。Nekooi等人(NekooiP,AkbariM,AminiMK.CoSenanoparticlespreparedbythemicrowave-assistedpolyolmethodasanalcoholandformicacidtolerantoxygenreductioncatalyst[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2010,35(12):6392-6398.)利用微波辅助的方法合成钴硒/炭黑复合催化剂，在不同溶液中的极化曲线测试结果表明炭黑的加入可提高钴硒催化剂的催化活性，并使其不被有机小分子毒化。Camargo等人(CamargoPHC,PengZ,LuX,YangH,XiaY.SynthesisandapplicationofRuSe2+δnanotubesasamethanoltolerantelectrocatalystfortheoxygenreductionreaction[J].JournalofMaterialsChemistry,2009,19(7):1024-1030.)通过化学还原法制备钌硒/碳纳米管复合催化剂，结果表明碳纳米管的加入可显著增强钌硒催化剂的氧化还原反应活性和抗甲醇毒化能力。尽管如此，与铂基催化剂相比，硫族金属催化剂的活性较低、电池性能较差，仍需更多的研究与进一步的提高。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种多孔石墨烯/镍碲复合催化剂的制备方法。本专利技术另一目的在于提供上述方法制备的多孔石墨烯/镍碲复合催化剂。本专利技术再一目的在于提供上述多孔石墨烯/镍碲复合催化剂在质子交换膜燃料电池中的应用。本专利技术的目的通过下述方案实现：一种多孔石墨烯/镍碲复合催化剂的制备方法，其主要包括以下步骤：(1)称取氧化石墨烯，加入碱，在氮气保护下进行煅烧反应，待反应结束后冷却取出，洗涤，干燥，备用，得到多孔石墨烯；(2)量取NiCl2/乙二醇溶液和Na2TeO3水溶液，混合并加入乙二醇，搅拌，超声，备用，得到混合溶液；(3)往步骤(2)的混合溶液中加入步骤(1)的多孔石墨烯，搅拌，超声，微波处理，待冷却取出，离心过滤，洗涤，干燥，得到多孔石墨烯/镍碲复合催化剂。步骤(1)所述的氧化石墨烯优选为根据改良Hummer法(KovtyukhovaNI,OllivierPJ,MartinBR,MalloukTE,ChizhikSA,BuzanevaEV,GorchinskiyAD.Layer-by-layerassemblyofultrathincompositefilmsfrommicron-sizedgraphiteoxidesheetsandpolycations.ChemistryofMaterials,1999,11(3):771-778.)制备得到。步骤(1)中所述的碱为氢氧化钠或氢氧化钾；步骤(1)中所述的氧化石墨烯和碱的质量比为1：2～5；步骤(1)中所述的煅烧反应是指在700～800℃下反应1.5～2.5h；步骤(1)中所述的洗涤指用去离子水洗涤2～3次，所述的干燥是指冷冻干燥；步骤(1)中所述的多孔石墨烯的比表面积为400～550m2/g，其电导率为30～65S·m-1，900℃内的失重为3～6wt％。步骤(2)中所述的NiCl2/乙二醇溶液的浓度为0.2～1.4mg/mL；所述的Na2TeO3水溶液的浓度为0.3～1.8mg/mL；步骤(2)中所述的NiCl2/乙二醇溶液、Na2TeO3水溶液和乙二醇的体积比为1：1～3：0.2～0.6；步骤(2)所述的搅拌指常温下搅拌10～40min；步骤(2)所述的超声指在功率250～450W下超声10～40min。步骤(3)中所述的步骤(2)的混合溶液和步骤(1)的多孔石墨烯的用量满足每330～690mL的步骤(2)的混合溶液对应加入0.2～1.2g的步骤(1)的多孔石墨烯；步骤(3)中所述的搅拌指常温下在400～700r/min速度下搅拌20～40min；步骤(3)中所述的超声指在功率250～450W下超声20～40min；步骤(3)中所述的微波处理指在微波炉中功率为800～1100W加热110～170s；步骤(3)中所述的洗涤指依次用丙酮、无水乙醇和去离子水洗涤2～3次；步骤(3)中所述的干燥指在70～85℃下真空干燥12～24h。一种通过上述方法制备得到多孔石墨烯/镍碲复合催化剂。上述的多孔石墨烯/镍碲复合催化剂在质子交换膜燃料电池中的应用。本专利技术的机理为：采用表面化学沉积法将多孔石墨烯和镍碲催化剂进行复合。其中，镍碲颗粒在多孔石墨烯表面负载沉积，同时进入多孔石墨烯的多孔结构中。所获得的复合催化剂结合了两者的优点，既有镍碲催化剂的良好电化学活性，又有多孔石墨烯赋予的优异电学性能与化学稳定性等性能。此外，基于协同增强机理，复合催化剂具有比单独催化剂更优越的性能。当复合催化剂用于质子交换膜燃料电池阴极催化剂时，新型燃料电池表现出高功率密度和良好耐久性的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔石墨烯/镍碲复合催化剂的制备方法，其特征在于主要包括以下步骤：(1)称取氧化石墨烯，加入碱，在氮气保护下进行煅烧反应，待反应结束后冷却取出，洗涤，干燥，备用，得到多孔石墨烯；(2)量取NiCl2/乙二醇溶液和Na2TeO3水溶液，混合并加入乙二醇，搅拌，超声，备用，得到混合溶液；(3)往步骤(2)的混合溶液中加入步骤(1)的多孔石墨烯，搅拌，超声，微波处理，待冷却取出，离心过滤，洗涤，干燥，得到多孔石墨烯/镍碲复合催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种多孔石墨烯/镍碲复合催化剂的制备方法，其特征在于主要包括以下步骤：(1)称取氧化石墨烯，加入碱，在氮气保护下进行煅烧反应，待反应结束后冷却取出，洗涤，干燥，备用，得到多孔石墨烯；(2)量取NiCl2/乙二醇溶液和Na2TeO3水溶液，混合并加入乙二醇，搅拌，超声，备用，得到混合溶液；(3)往步骤(2)的混合溶液中加入步骤(1)的多孔石墨烯，搅拌，超声，微波处理，待冷却取出，离心过滤，洗涤，干燥，得到多孔石墨烯/镍碲复合催化剂。2.根据权利要求1所述的多孔石墨烯/镍碲复合催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的氧化石墨烯根据改良Hummer法制备得到；步骤(1)中所述的碱为氢氧化钠或氢氧化钾。3.根据权利要求1所述的多孔石墨烯/镍碲复合催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的氧化石墨烯和碱的质量比为1：2～5；步骤(1)中所述的煅烧反应是指在700～800℃下反应1.5～2.5h；步骤(1)中所述的洗涤指用去离子水洗涤2～3次，所述的干燥是指冷冻干燥。4.根据权利要求1所述的多孔石墨烯/镍碲复合催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的多孔石墨烯的比表面积为400～550m2/g，其电导率为30～65S·m-1，900℃内的失重为3～6wt％。5.根据权利要求1所述的多孔石墨烯/镍碲复合催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的NiCl2/乙二醇溶液的浓度为0.2～1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张劲林，蔡祥，刘惠娣，吴婷，向卫兵，
申请(专利权)人：广东职业技术学院，
类型：发明
国别省市：广东,44