一种钴和石墨烯复合纳米材料催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种钴和石墨烯复合纳米材料催化剂及其制备方法。催化剂的主要成分为钴和石墨烯；催化剂的制备步骤为：采用浸渍法将钴盐负载到自合成或商业购买的还原氧化石墨烯上，浸渍后经过干燥，得到含有钴盐/石墨烯的催化剂前驱体，然后将前驱体在氮气氛围下焙烧，使钴盐分解，同时使钴物种与石墨烯产生强相互作用，得到钴与石墨烯复合纳米材料，该催化剂同时含有与石墨烯基底紧密结合单原子钴、钴原子簇以及钴氧化物纳米粒子。

【技术实现步骤摘要】
一种钴和石墨烯复合纳米材料催化剂及其制备方法
本专利技术涉及一种钴和石墨烯复合纳米材料催化剂、该催化剂的主要成分以及该催化剂的制备方法。
技术介绍
优良催化剂是提高催化反应性能的关键。催化剂的性能主要由两方面决定：一个是成分，另一个是制备方法。同样的成分，采用不同的制备方法，其性能会差异很大，同理，同样的制备方法采用不同的成分，也会产生效果不同的催化剂。近年来，含有单原子、原子簇以及粒度分布均匀的纳米粒子的催化剂越来越受到重视，通过在纳米层次对催化剂的组成、结构和形貌以及电子态的调控，能够实现高效催化作用。含有单原子的催化剂制备技术主要包括逐步还原法(ZhangH.,KawashimaK.,OkumuraM.,etal.ColloidalAusingle-atomcatalystsembeddedonPdnanoclusters[J].JournalofMaterialsChemistryA,2014,2(33):13498.)、浸渍法(MosesdebuskM.,YoonM.,AllardL.F.,etal.COoxidationonsupportedsinglePtatoms:experimentalandabinitiodensityfunctionalstudiesofCOinteractionwithPtatomonθ-Al2O3(010)surface.[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety,2013,135(34):12634-12645.)、原子层沉积法(XingJ.,ChenJ.F.,LiY.H.,etal.StableIsolatedMetalAtomsasActiveSitesforPhotocatalyticHydrogenEvolution[J].Chemistry-AEuropeanJournal,2014,20(8):2138-2144.)、反Ostward熟化法(Hu,P.,Huang,Z.,Amghouz,Z.,Makkee,M.,Xu,F.,Kapteijn,F.,Dikhtiarenko,A.,Chen,Y.,Gu,X.andTang,X.(2014),ElectronicMetal–SupportInteractionsinSingle-AtomCatalysts.Angew.Chem.Int.Ed.,53:3418-3421.)等。一些方法虽然能取得较好的金属负载效果，但是制备工艺负载，成本高，难以工业化推广。从催化剂成分的角度考虑，石墨烯(graphene)作为新兴材料，由于其独特的物质结构和理化性质在催化领域大放异彩。由石墨粉利用hummers法(WilliamS.HummersJr,RichardE.Offeman.PreparationofGraphiticOxide[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety,1958,80(6):1339.)制成氧化石墨烯(GO)，然后再通过还原得到得到还原的氧化石墨烯(rGO)，具有大批量生产的可能，这使得石墨烯能够作为大宗的催化剂制备材料。一些研究发现，金属以纳米颗粒(nanoparticles，NPs)、原子簇(clusters)或者单原子(singleatoms)的形式存在于石墨烯表面，在金属与石墨烯协同作用下，会产生优异的催化效果。但是，含有单原子的催化剂的合成有一定难度，再加上石墨烯材料的疏水性，使金属负载变得更加困难。目前，在石墨烯上负载金属粒子的方法主要有以下几种：第一种方法，预制的NPs和石墨烯分散在溶剂中，利用静电相互作用或范德华力以及π–π键相互作用驱动附着。该方法可以更好地控制NPs的特性，但催化剂并不稳定；第二种方法，让目标NPs在石墨烯基材料上原位形成，使石墨烯的官能团或芳香环结构来稳定NPs。在这种情况下，可以实现NPs与载体之间的更好的相互作用，但是可能会失去对NPs结构和形态的控制；第三种方法，金属/金属化合物NPs的形成和GO到rGO的转化同时原位进行，这样可以强化催化剂与金属组分之间的相互作用；第四种方法，NPs和石墨烯均由小分子通过自下而上的一步法原位形成，从而合成出稳定性较高的催化剂(DasVK,ShifrinaZB,BronsteinLM.Grapheneandgraphene-likematerialsinbiomassconversion:pavingthewaytothefuture[J].JournalofMaterialsChemistryA,2017,5(48).)，该方法成本高，条件苛刻，难以工业化大规模合成。此外，以上这些方法合成出的贵金属和过渡金属催化剂，其金属以及金属氧化物在载体上一般以NPs的形式存在，而很少出现单原子，而且金属多是采用贵金属，而非过渡金属。目前关于单原子过渡金属负载在石墨烯上的报道很少。(DengD,ChenX,LiangY,etal.Asingleironsiteconfinedinagraphenematrixforthecatalyticoxidationofbenzeneatroomtemperature[J].ScienceAdvances,2015,1(11):e1500462-e1500462.以石墨烯作为载体，以酞菁铁引入FeN成分，使Fe在载体上以单原子的形式与四个N原子结合，再嫁接到石墨烯碳骨架上。(Fei,H.,Dong,J.,Feng,Y.,Allen,C.S.,Wan,C.,Volosskiy,B.,etal.(2018).GeneralsynthesisanddefinitivestructuralidentificationofMN4C4single-atomcatalystswithtunableelectrocatalyticactivities.NatureCatalysis,1(1),63–72)将Fe,Co,Ni氯盐与氧化石墨烯、双氧水混合经水热处理后干燥得到催化剂前驱体，再将催化剂前驱体在900℃的Ar气流中与氨气反应，得到单原子催化剂，M-NHGFs(M＝Fe,Co,Ni)，该类催化剂中过渡金属通过N原子与石墨烯相连，即以MN4C4(M＝Fe,Co,Ni)形式存在，该催化剂在析氧电催化反应中有很好的应用效果。到目前为止，尚无以浸渍-焙烧法在石墨烯上同步负载了单原子钴、钴原子簇和氧化钴纳米粒子成分的催化剂的报道。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺点和不足，本专利技术将采用一种简单的方法，即浸渍-焙烧法，合成出一种在石墨烯上含有多种形态钴的新型催化剂，命名为Co/rGO。该催化剂以过渡金属Co作为活性组分，以还原氧化石墨烯(rGO)为载体，Co在载体上以多种氧化物(CoO、Co2O3、Co3O4)纳米粒子、Co原子簇和单原子Co形式存在。本专利技术采用以下技术方案：一种钴-石墨烯复合纳米材料催化剂，其主要成分为钴和石墨烯，钴的载量为：钴占催化剂质量的1～50wt％；优选的，所述钴占催化剂质量的5～10wt％。本专利技术同时请求保护钴-石墨烯复合纳米材料催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：(1)浸渍采用浸渍法将钴盐负载到石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钴‑石墨烯复合纳米材料催化剂，其特征在于，其主要成分为钴和石墨烯，其制备方法包括以下步骤：(1)浸渍采用浸渍法将钴盐负载到石墨烯上，浸渍后经过干燥，得到含有钴盐/石墨烯的催化剂前驱体；(2)焙烧将含有钴盐/石墨烯的催化剂前驱体在氮气氛围下于400‑700℃焙烧，使钴盐分解，同时使钴与石墨烯相互作用，得到钴‑石墨烯复合纳米材料催化剂；其结构特点是催化剂上同时含有与石墨烯基底紧密结合单原子钴、钴原子簇以及钴氧化物纳米粒子。

【技术特征摘要】
1.一种钴-石墨烯复合纳米材料催化剂，其特征在于，其主要成分为钴和石墨烯，其制备方法包括以下步骤：(1)浸渍采用浸渍法将钴盐负载到石墨烯上，浸渍后经过干燥，得到含有钴盐/石墨烯的催化剂前驱体；(2)焙烧将含有钴盐/石墨烯的催化剂前驱体在氮气氛围下于400-700℃焙烧，使钴盐分解，同时使钴与石墨烯相互作用，得到钴-石墨烯复合纳米材料催化剂；其结构特点是催化剂上同时含有与石墨烯基底紧密结合单原子钴、钴原子簇以及钴氧化物纳米粒子。2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述钴占催化剂质量的5～10wt％。3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述钴盐为硝酸钴...

【专利技术属性】
技术研发人员：周锦霞，杨帆，毛璟博，李慎敏，
申请(专利权)人：大连大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21