一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法，该方法包括：一、将氧化石墨烯、碳源和十二烷基硫酸钠均匀分散在去离子水中进行水热反应，经洗涤和干燥得到三维石墨烯材料；二、将三维石墨烯材料与氮源、氢氧化钾混匀然后进行高温碳化，冷却后经洗涤和干燥得到氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂。本发明专利技术将碳源与氧化石墨烯进行复合，碳源产生的无定形碳均匀负载在石墨烯片层上，阻止了石墨烯片层间的堆叠团聚，得到具有大量的多层次孔道的三维石墨烯材料，有利于氮原子进入三维石墨烯材料的骨架中进行掺杂形成催化活性中心，增加了催化活性中心的数量，提高了氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的催化性能。

Preparation of a nitrogen-doped three-dimensional graphene-based fuel cell cathode catalyst

The invention discloses a preparation method of nitrogen-doped three-dimensional graphene-based fuel cell cathode catalyst. The method includes: 1. Dispersing graphene oxide, carbon source and sodium dodecyl sulfate evenly in deionized water for hydrothermal reaction, washing and drying to obtain three-dimensional graphene material; 2. Mixing three-dimensional graphene material with nitrogen source and potassium hydroxide and then high temperature. Nitrogen-doped three-dimensional graphene-based fuel cell cathode catalysts were prepared by carbonization, cooling, washing and drying. The invention combines carbon source and graphene oxide, and the amorphous carbon generated by carbon source is evenly loaded on the graphene lamella, which prevents the stacking and agglomeration of graphene lamellae, and obtains three-dimensional graphene material with a large number of multi-layered channels, which is beneficial for nitrogen atoms doping into the skeleton of three-dimensional graphene material to form a catalytic active center and increase the catalytic active center. The catalytic performance of nitrogen-doped three-dimensional graphene-based fuel cell cathode catalysts was improved.

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法
本专利技术属于电池材料制备
，具体涉及一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法。
技术介绍
燃料电池是一种将蕴含在燃料中的化学能直接转换为电能的发电装置，由于其能量转换效率高、绿色环保、维护性好等诸多优点，被誉为继水力、火力和核能之后的第四代发电装置，然而其阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢远远低于阳极，因此需要大量催化剂去催化ORR，目前铂系催化剂仍然是其首选，但是由于金属铂降格昂贵、储量低且铂系催化剂稳定性及其抗甲醇性能差，这制约了燃料电池的大规模化应用。近年来，氮掺杂石墨烯类催化剂由于具有比表面积大、载流子迁移率高、导电率好、吸附氧能力强等优点，发展为一种新型氧还原催化剂材料，受到研究人员的广泛关注。然而氮掺杂石墨烯类催化剂中的石墨烯多为二维石墨烯，二维石墨烯往往通过π-π键相互作用，边缘存在大量悬键，导致氮在掺杂过程中材料容易聚集堆叠，不利于氮原子的进入石墨烯骨架，阻碍了石墨烯上大量的催化位点，从而提供了有限的活性中心，并且缺少传质通道导致催化性能降低。因此，有必要通过对氮掺杂石墨烯类材料进行合理的设计与优化，从而解决上述技术问题，避免材料团聚，提升氮含量，进一步提升氮掺杂石墨烯类材料的氧还原催化性能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法。该方法将碳源与氧化石墨烯通过水热反应进行复合，碳源产生的无定形碳均匀负载在石墨烯片层上，有效阻止了石墨烯片层间的堆叠团聚，得到具有大量的多层次孔道的三维石墨烯材料，从而有利于氮原子进入三维石墨烯材料的骨架中进行掺杂形成催化活性中心，增加了催化活性中心的数量，提高了氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的催化性能。为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案为：一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将氧化石墨烯、碳源和十二烷基硫酸钠均匀分散在去离子水中得到分散液，然后将分散液置于高压反应釜中进行水热反应，再依次经离心洗涤和冷冻干燥，得到三维石墨烯材料；所述高压反应釜以聚四氟乙烯为内衬；所述碳源为葡萄糖、淀粉或纤维素；步骤二、将步骤一中得到的三维石墨烯材料与氮源、氢氧化钾混合均匀，然后置于管式炉中在惰性气体保护下进行高温碳化，冷却至25℃后用1M盐酸洗涤至滤液呈中性，再经干燥得到氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂；所述氮源为三聚氰胺或尿素。本专利技术首先以氧化石墨烯(GO)、碳源和十二烷基硫酸钠为原料，通过水热反应制备三维石墨烯材料(GC)，该制备方法基于二维石墨烯材料氧化石墨烯，将碳源与石墨烯进行水热反应复合，反应过程中由碳源产生的无定型碳均匀负载在二维的氧化石墨烯片层上，从而有效阻止石墨烯片层间的堆叠，增加了比表面积，同时产生大量的多层次孔道，得到三维石墨烯材料，并保留了氧化石墨烯的载流子迁移率高、导电率好的理化性质，同时改善了三维石墨烯材料的亲水性，然后将三维石墨烯材料与氮源、氢氧化钾混匀后进行高温碳化，得到氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂(NGC)，三维石墨烯材料中的大量的多层次孔道为氮原子的传递提供了通畅的传质通道，从而有利于氮原子进入三维石墨烯材料的骨架中进行掺杂，并形成催化活性中心，避免了氮原子聚集堆叠对三维石墨烯材料中催化位点的阻碍作用，增加了氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂中催化活性中心的数量，提高了氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的催化性能，同时三维石墨烯材料中传质通道的通畅促使更多的氮原子进入三维石墨烯材料的骨架中，提高了三维石墨烯材料中氮的掺杂量，促进了氮在三维石墨烯材料中的分布均匀，加快电子转移从而提高氧还原反应速率，使氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的电化学性能得到提高；由于氮掺杂的过程中还加入了KOH进行活化，使得氮掺杂后的三维石墨烯呈三维多孔网状骨架结构，进一步避免了石墨烯的团聚，提高了氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的催化活性；另外，氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂中大量通畅的传质通道有利于燃料电池的阴极氧还原反应(ORR)过程中的传质，加快了ORR的速率，促进了燃料电池的大规模化应用。上述的一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤一中所述氧化石墨烯、碳源和十二烷基硫酸钠的质量比为(2～3)：80：1。将制备三维石墨烯材料的各原料的质量比限定在上述范围内，有利于水热反应的顺利进行，使碳源产生的无定型碳进一步均匀分布在二维的氧化石墨烯片层上，阻止了石墨烯片层间的堆叠，产生大量的多层次孔道，同时避免了各原料的浪费，降低了制备成本。上述的一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯、碳源和十二烷基硫酸钠的质量比为2：80：1。上述最优质量比的原料可更进一步阻止了石墨烯片层间的堆叠，得到形貌良好的三维石墨烯材料。上述的一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤一中所述分散液中氧化石墨烯、碳源和十二烷基硫酸钠的总质量浓度为83mg/mL～84mg/mL。上述分散液中制备三维石墨烯材料的各原料的总质量浓度有利于水热反应的顺利进行，同时有利于各原料的充分反应，提高了水热反应的速率。上述的一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤一中所述水热反应的温度为160℃～180℃，时间为12h～16h。上述水热反应的条件有利于氧化石墨烯充分进行反应，制备得到的三维石墨烯材料不易团聚，且易于氮的掺杂复合。上述的一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤一中所述离心洗涤的转速为7500rmp～8500rmp，时间为15min～25min。上述离心洗涤的转速和时间得到的三维石墨烯材料沉淀产物多，且易于与上清液分离。上述的一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤二中所述三维石墨烯材料、氮源与氢氧化钾的质量比为(1～1.5)：10：10。上述优选质量比有利于三维石墨烯材料、氮源与氢氧化钾的高温碳化，使氮源中的氮充分掺杂到三维石墨烯材料中，提高了氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的含氮量，得到更多的催化活性中心，从而提高了氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的催化活性。上述的一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，所述三维石墨烯材料、氮源与氢氧化钾的质量比为1：10：10。上述最优质量比得到氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的含氮量高且催化活性强。上述的一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤二中所述高温碳化的条件为：在氩气保护下，以10℃/min的速率加热至800℃～1000℃并恒温1h～2h。上述高温碳化条件有利于氮进入三维石墨烯材料中进行掺杂，制备得到的氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂形貌良好，且具有层次网状结构，有利于燃料电池的阴极氧还原反应(ORR)过程中的传质。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术制备氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的方法，将碳源与氧化石墨烯通过水热反应进行复合，碳源产生的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将氧化石墨烯、碳源和十二烷基硫酸钠均匀分散在去离子水中得到分散液，然后将分散液置于高压反应釜中进行水热反应，再依次经离心洗涤和冷冻干燥，得到三维石墨烯材料；所述高压反应釜以聚四氟乙烯为内衬；所述碳源为葡萄糖、淀粉或纤维素；步骤二、将步骤一中得到的三维石墨烯材料与氮源、氢氧化钾混合均匀，然后置于管式炉中在惰性气体保护下进行高温碳化，冷却至25℃后用1M盐酸洗涤至滤液呈中性，再经干燥得到氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂；所述氮源为三聚氰胺或尿素。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将氧化石墨烯、碳源和十二烷基硫酸钠均匀分散在去离子水中得到分散液，然后将分散液置于高压反应釜中进行水热反应，再依次经离心洗涤和冷冻干燥，得到三维石墨烯材料；所述高压反应釜以聚四氟乙烯为内衬；所述碳源为葡萄糖、淀粉或纤维素；步骤二、将步骤一中得到的三维石墨烯材料与氮源、氢氧化钾混合均匀，然后置于管式炉中在惰性气体保护下进行高温碳化，冷却至25℃后用1M盐酸洗涤至滤液呈中性，再经干燥得到氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂；所述氮源为三聚氰胺或尿素。2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤一中所述氧化石墨烯、碳源和十二烷基硫酸钠的质量比为(2～3)：80：1。3.根据权利要求2所述的一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯、碳源和十二烷基硫酸钠的质量比为2：80：1。4.根据权利要求1所述的一种氮掺杂三维石墨烯基燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺新福，龙雪颖，张亚婷，吴红菊，刘国阳，李可可，周安宁，邱介山，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61