一种石墨烯负载磷酸盐催化剂、其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种石墨烯负载磷酸盐催化剂、其制备方法和应用，该催化剂包括：石墨烯载体和复合在所述石墨烯载体上的Fe

A graphene supported phosphate catalyst, its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯负载磷酸盐催化剂、其制备方法和应用
本专利技术涉及催化剂
，具体涉及一种石墨烯负载磷酸盐催化剂、其制备方法和应用。
技术介绍
随着矿物资源逐渐减少和环境污染问题日益严重，新型清洁能源的开发至关重要。在能量转化和存储领域，金属空气电池因其高理论能量密度，受到了广泛的关注。金属空气电池一般是以电极电位较负的金属如镁、铝、锌、铁等作负极，以空气中的氧或纯氧作正极的活性物质。但是，正极惰性的氧还原反应限制了金属空气电池的大规模应用。因此，需要开发高效的氧还原催化剂。铂等贵金属催化剂是目前效率最好的氧化原催化剂，然而这类贵金属催化剂价格昂贵，资源十分稀缺，限制了其大规模的应用。因此，开发廉价、高效的非贵金属氧还原催化剂尤为重要。最近，磷酸盐催化剂逐渐被研究用于氧气还原反应。现有的磷酸盐催化剂例如FePO4、KFePO4这些磷酸盐化合物，也有Co3(PO4)2/rGO等负载类磷酸盐物质。但是，目前该类负载类型的催化剂材料通常呈团聚颗粒形貌，容易影响其催化活性，并且该类材料导电性较差。
技术实现思路
有鉴于此，本申请提供一种石墨烯负载磷酸盐催化剂、其制备方法和应用，本申请提供的催化剂材料具有较高的导电性，并且氧还原催化活性高，利于应用。本专利技术提供一种石墨烯负载磷酸盐类催化剂，包括：石墨烯载体和复合在所述石墨烯载体上的Fe2Co(PO4)2；所述石墨烯负载磷酸盐类催化剂具有微米粒状集合体形貌，所述石墨烯载体呈现三维网络状。本专利技术所提供的催化剂为石墨烯负载Fe2Co(PO4)2的催化剂材料，其中石墨烯载体提供三维网状的石墨烯框架结构，一方面能增加电导率，解决磷酸盐导电性差的问题，另一方面其具有大的比表面积，增加了催化剂的比表面积，有利于传质，提高氧还原催化性能。同时，本申请所述的催化剂可为Fe2Co(PO4)2复合而成的微米花状材料，即具有微米粒状集合体形貌。在本专利技术催化剂材料中，孤立的活性位点Fe2Co(PO4)2颗粒锚定在石墨烯表面上，呈现花状，颗粒的暴露面积增大，增大了表相活性位点的数量，催化活性高。本专利技术提供一种前文所述石墨烯负载磷酸盐类催化剂的制备方法，包括以下步骤：S1、以DNA为磷酸源，并将铁源、钴源及氧化石墨烯在水中进行水热处理，然后冷冻干燥，得到前驱体；S2、将所述前驱体在惰性气氛下高温碳化，得到石墨烯负载Fe2Co(PO4)2的催化剂。优选地，所述步骤S1具体为：配制氧化石墨烯和DNA的混合水分散液；配制氯化亚铁和醋酸钴的混合溶液；将所述氯化亚铁和醋酸钴的混合溶液与氧化石墨烯和DNA的混合水分散液混合，进行水热处理，然后冷冻干燥，得到前驱体。优选地，所述步骤S1中，所述DNA与氧化石墨烯的质量比为1:(3～5)。优选地，所述步骤S1中，所述氯化亚铁和醋酸钴的混合溶液由FeCl2·4H2O和Co(Ac)2·4H2O溶于水中得到，所述FeCl2·4H2O与Co(Ac)2·4H2O的摩尔比为(0.25～0.5)：(0.25～0.5)，进一步优选为(0.3～0.4)：(0.3～0.4)。优选地，所述步骤S1中，所述水热处理的温度为150～200℃，时间为15～20h。优选地，所述步骤S2中，所述高温碳化的温度为700～900℃，时间为1～4h。优选地，所述步骤S2中，所述高温碳化过程中的升温速度为1～10℃/min，优选为4～6℃/min。本专利技术还提供一种前文所述石墨烯负载磷酸盐类催化剂在制备金属空气电池中的应用。本专利技术制备所述石墨烯负载磷酸盐类催化剂的方法中，首先采用DNA、铁源、钴源及氧化石墨烯，通过水热处理、冷冻干燥，获得前驱体；然后进行高温碳化，从而得到石墨烯负载Fe2Co(PO4)2的催化剂。本专利技术以DNA为磷酸源，DNA的磷酸基团吸附金属离子，在水热过程中，在DNA链上原位生成Fe2Co(PO4)2(OH)2，实现可控合成。并且，DNA可以和石墨烯发生π-π相互作用，形成三维结构的水凝胶，冷冻干燥后的气凝胶粉末具有大的比表面积，有利于传质，从而提高催化性能。因此，本专利技术的制备方法可以形成三维网状的石墨烯载体，锚定复合Fe2Co(PO4)2后获得具有微米花状形貌的催化剂，其导电性高，催化活性高，利于应用。此外，本专利技术制备方法简单，对设备无特殊要求，环境污染少，可以解决铂基氧化原催化剂价格昂贵及资源稀缺的问题。附图说明图1为本专利技术实施例1所制备的石墨烯负载Fe2Co(PO4)2非贵金属氧还原催化剂的XRD图；图2为本专利技术实施例1所制备的石墨烯负载Fe2Co(PO4)2非贵金属氧还原催化剂的SEM图；图3为本专利技术实施例1所制备的石墨烯负载Fe2Co(PO4)2非贵金属氧还原催化剂的N2吸附-脱附曲线图；图4为本专利技术实施例1～3和比较例所制备的石墨烯负载Fe2Co(PO4)2非贵金属氧还原催化剂的SEM对比图；图5为本专利技术实施例1所制备的石墨烯负载Fe2Co(PO4)2非贵金属氧还原催化剂的LSV对比图；图6为本专利技术实施例1所制备的石墨烯负载Fe2Co(PO4)2非贵金属氧还原催化剂的锌空电池稳定性对比图。具体实施方式下面对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供了一种石墨烯负载磷酸盐类催化剂，包括：石墨烯载体和复合在所述石墨烯载体上的Fe2Co(PO4)2；所述石墨烯负载磷酸盐类催化剂具有微米粒状集合体形貌，所述石墨烯载体呈现三维网络状。本申请提供的催化剂材料具有较高的导电性，并且氧还原催化活性高，利于应用。本申请所述的催化剂以三维网状的石墨烯作为载体，该石墨烯载体可增加电导率，提升催化剂导电性。并且，三维网状的石墨烯框架结构导电性高、比表面积大，增加了复合而成的催化剂的比表面积，有利于催化过程中的传质，从而进一步提升催化性能。在本专利技术中，所述石墨烯负载磷酸盐类催化剂为石墨烯负载Fe2Co(PO4)2的催化剂材料，其中，Fe2Co(PO4)2提供催化活性位点；属于非贵金属催化剂。并且，本专利技术实施例所述的催化剂为石墨烯(rGO)与Fe2Co(PO4)2复合而成的微米花状材料，即具有微米粒状集合体形貌。根据扫描电子显微镜(SEM)分析，其中的Fe2Co(PO4)2颗粒锚定在石墨烯表面上，呈现花状，颗粒的暴露面积增大，增大了表相活性位点的数量。本专利技术所述的微米粒状集合体形貌，说明催化剂材料尺寸在微米级别范围，并且包括多个片层结构，其中若干片层一端相互集结在一起，而另一端呈发散状态，整体类似于花朵形状或是其他片层集合形状等。本专利技术所述的“锚定”的复合形式，是指Fe2Co(PO4)2颗粒较为牢固地复合在石墨烯三维框架结构中。在本专利技术的实施例中，所述石墨烯负载磷酸盐类催化剂可称本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯负载磷酸盐类催化剂，其特征在于，包括：石墨烯载体和复合在所述石墨烯载体上的Fe

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯负载磷酸盐类催化剂，其特征在于，包括：石墨烯载体和复合在所述石墨烯载体上的Fe2Co(PO4)2；
所述石墨烯负载磷酸盐类催化剂具有微米粒状集合体形貌，所述石墨烯载体呈现三维网络状。


2.一种权利要求1所述石墨烯负载磷酸盐类催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、以DNA为磷酸源，并将铁源、钴源及氧化石墨烯在水中进行水热处理，然后冷冻干燥，得到前驱体；
S2、将所述前驱体在惰性气氛下高温碳化，得到石墨烯负载Fe2Co(PO4)2的催化剂。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：配制氧化石墨烯和DNA的混合水分散液；配制氯化亚铁和醋酸钴的混合溶液；将所述氯化亚铁和醋酸钴的混合溶液与氧化石墨烯和DNA的混合水分散液混合，进行水热处理，然后冷冻干燥，得到前驱体。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述DNA与氧化石墨烯的质量比为1:(3～5)。


5.根据权利要求4所述的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦易，曹瑞国，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34