改性石墨烯纳米卷及其制备方法和应用技术

本申请涉及催化剂技术领域，特别是涉及一种改性石墨烯纳米卷及其制备方法和应用。改性石墨烯纳米卷的制备方法包括以下步骤：将包含还原性有机溶剂、贵金属源和石墨类碳材料的混合液依次进行液氮冷却和微波处理，得到负载有贵金属纳米颗粒的石墨烯纳米卷；其中，石墨类碳材料选自氧化石墨及掺杂氧化石墨中的一种或多种。上述制备方法能够有效避免石墨烯载体形成团聚结构，提升催化剂催化活性。提升催化剂催化活性。提升催化剂催化活性。

【技术实现步骤摘要】
改性石墨烯纳米卷及其制备方法和应用


[0001]本申请涉及催化剂
，特别是涉及一种改性石墨烯纳米卷及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池可以在不产生污染物的情况下将化学能转化为电能，是一种非常有前途的新能源技术。质子交换膜燃料电池主要通过阴极发生氧还原反应进行放电。该氧还原反应属于慢的动力学过程，需要合适的催化剂进行催化。贵金属催化剂具有好的低温性能，被认为是最有效的阴极催化剂，但是贵金属催化剂需要负载于合适的载体才能实现其催化性能。其中，石墨烯被认为是合适的载体，目前的研究多是以石墨烯或功能化石墨烯片直接作为载体负载贵金属催化剂，该催化剂的制备过程通常包括对石墨烯或功能化石墨烯片进行热处理和干燥，然而，在热处理或样品干燥过程中，石墨烯倾向于通过强烈的π
‑
π表面相互作用重新堆叠，形成团聚结构，这种团聚结构不利于催化剂活性面的打开，会阻碍反应活性物质的运输，从而会大大降低催化剂的催化作用。

技术实现思路

[0003]基于此，有必要提供能够有效避免石墨烯载体形成团聚结构，提升催化剂催化活性的改性石墨烯纳米卷及其制备方法和应用。
[0004]第一方面，本申请提供一种改性石墨烯纳米卷的制备方法，其包括以下步骤：
[0005]将包含还原性有机溶剂、贵金属源和石墨类碳材料的混合液依次进行液氮冷却和微波处理，得到负载有贵金属纳米颗粒的石墨烯纳米卷；其中，所述石墨类碳材料选自氧化石墨及掺杂氧化石墨中的一种或多种。
[0006]在其中一个实施例中，所述贵金属源选自氯铂酸、氯化铂及氯化钯中的一种或多种。
[0007]在其中一个实施例中，所述还原性有机溶剂选自乙二醇、乙醇、甲醇及甲酸中的一种或多种。
[0008]在其中一个实施例中，所述混合液中，相对于1mL的所述还原性有机溶剂，所述贵金属源的质量为0.1mg～2mg。
[0009]在其中一个实施例中，所述贵金属源与所述石墨类碳材料的质量比为(0.2～2)：1。
[0010]在其中一个实施例中，所述还原性有机溶剂与所述液氮的体积比为1：(1～5)。
[0011]在其中一个实施例中，所述微波处理的功率为1kW～5kW，时间为5s～300s。
[0012]在其中一个实施例中，在所述微波处理后，还包括对所述石墨烯纳米卷进行洗涤和/或干燥的步骤；
[0013]所述干燥为冷冻干燥，所述冷冻干燥的条件包括：温度为
‑
10℃～
‑
120℃，时间为0.5h～2h。
[0014]第二方面，本申请提供一种如上述所述的制备方法制备得到的改性石墨烯纳米卷。
[0015]在其中一个实施例中，所述贵金属纳米颗粒在所述石墨烯纳米卷上的负载量为10wt％～70wt％。
[0016]第三方面，本申请进一步提供一种如上述所述的改性石墨烯纳米卷作为催化剂在电催化氧化还原反应中的应用。
[0017]第四方面，本申请提供一种质子交换膜燃料电池，包括阴极催化剂层，所述阴极催化剂层包括上述所述的改性石墨烯纳米卷。
[0018]本申请提供的改性石墨烯纳米卷的制备方法中，在贵金属源、还原性有机溶剂及石墨类碳材料混合过程中，贵金属源先吸附于石墨类碳材料上。随后在微波处理作用下，石墨类碳材料吸收微波发生体积膨胀，且在微波辐射作用下，可以诱导激发石墨类碳材料碳层上的羟基、羧基等基团的热运动，在瞬间破坏氧化石墨层间的范德华结合作用，从而形成氧化石墨烯片。同时，在液氮冷却和微波处理所产生的温差作用下，氧化石墨烯片发生收缩，由此产生的表面应变作为驱动力使氧化石墨烯片形成氧化石墨烯纳米卷。并且，微波处理产生的高温和还原性有机溶剂共同的还原作用将贵金属源还原为贵金属纳米颗粒，在微波所产生的高温环境下，所形成的氧化石墨烯又进一步被还原为石墨烯，进而形成了负载有贵金属纳米颗粒的石墨烯纳米卷。
[0019]通过该方法形成石墨烯纳米卷，可以避免石墨烯或功能化石墨烯片直接作为载体易发生团聚的问题，提高了石墨烯的化学稳定性和比表面积，进而增加了石墨烯载体的活性位点，提高了具有催化作用的贵金属纳米颗粒在石墨烯载体上的负载量，从而提升了改性石墨烯纳米卷的催化活性。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]图1为实施例1～7制得的催化剂的扫描电子显微镜图；
[0022]图2为实施例3和对比例1～4制得的催化剂的ORR催化性能曲线图；
[0023]图3为对比例1和2制得的催化剂的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
[0024]为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。
[0025]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相
关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0026]理想的贵金属催化剂所适用的载体具有以下几个特点：高表面积、优异的电子导电性、电化学稳定性以及均匀负载颗粒均匀的纳米颗粒的能力。石墨烯具有优异的导电性和比表面积，但是申请人通过研究发现，传统以石墨烯或功能化的石墨烯片直接作为载体时，其易发生团聚，从而不利于所负载的贵金属催化剂活性面的打开，难以发挥其催化作用。因此需要对石墨烯进行结构调控，避免石墨烯作为催化剂载体易出现团聚的问题，提升石墨烯负载贵金属催化剂的催化性能。
[0027]本申请第一方面提供一种改性石墨烯纳米卷的制备方法，其包括以下步骤：
[0028]将包含还原性有机溶剂、贵金属源和石墨类碳材料的混合液依次进行液氮冷却和微波处理，得到负载有贵金属纳米颗粒的石墨烯纳米卷；其中，所述石墨类碳材料选自氧化石墨及掺杂氧化石墨中的一种或多种。
[0029]上述改性石墨烯纳米卷的制备方法，在贵金属源、还原性有机溶剂及石墨类碳材料混合过程中，贵金属源先吸附于石墨类碳材料上。随后在微波处理作用下，石墨类碳材料发生体积膨胀，且在微波辐射作用下，可以诱导激发石墨类碳材料碳层上的羟基、羧基等基团的热运动，在瞬间破坏氧化石墨层间的范德华结合作用，从而形成氧化石墨烯片。同时，在液氮冷却和微波处理所产生的温差作用下，氧化石墨烯片发生收缩，由此产生的表面应变作为驱动力使氧化石墨烯片形成氧化石墨烯纳米卷。并且，微波处理产生的高温和还原性有机溶剂共同的还原作用将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性石墨烯纳米卷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将包含还原性有机溶剂、贵金属源和石墨类碳材料的混合液依次进行液氮冷却和微波处理，得到负载有贵金属纳米颗粒的石墨烯纳米卷；其中，所述石墨类碳材料选自氧化石墨及掺杂氧化石墨中的一种或多种。2.如权利要求1所述的改性石墨烯纳米卷的制备方法，其特征在于，所述制备方法具有以下特征中的至少一个：1)所述贵金属源选自氯铂酸、氯化铂及氯化钯中的一种或多种；2)所述还原性有机溶剂选自乙二醇、乙醇、甲醇及甲酸中的一种或多种。3.如权利要求1所述的改性石墨烯纳米卷的制备方法，其特征在于，所述混合液中，相对于1mL的所述还原性有机溶剂，所述贵金属源的质量为0.1mg～2mg。4.如权利要求3所述的改性石墨烯纳米卷的制备方法，其特征在于，所述贵金属源与所述石墨类碳材料的质量比为(0.2～2)：1。5.如权利要求1所述的改性石墨烯纳米卷的制备方法，其特征在于，所述还原性有机溶剂与所述液氮的体积比为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜真真，王晶，王珺，于帆，李炯利，王旭东，
申请(专利权)人：北京石墨烯技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：