一种石墨烯-铂/铜纳米粒子多级纳米结构材料的制备及其应用制造技术

一种石墨烯-铂/铜纳米粒子的多级纳米结构复合材料的制备以及在电催化氧化中的应用，本发明专利技术制备了一种石墨烯-铂/铜纳米粒子多级纳米结构材料的方法，该方法简单易行，绿色环保，并且由该方法制备的石墨烯-铂/铜多级纳米结构修饰的电极具有非常好的电催化氧化甲醇的性能。

【技术实现步骤摘要】

:本专利技术涉及一种多级纳米结构石墨烯-钼/铜纳米粒子复合材料的制备以及在电催化氧化甲醇中的应用。
技术介绍
:直接甲醇燃料电池(DMFC)以其燃料来源丰富、储存方便、结构简单、操作安全、持续供电时间长等优点而日益受到广泛关注，预计将在小型家用电器、笔记本电脑、手机以及军事移动性仪器等领域具有广泛的应用前景。目前，直接甲醇燃料电池(DMFC)基础研究中有两个关键问题值得特别关注，并亟待解决。一是低温下甲醇在阳极上的电催化氧化反应活性较低，极化严重，需要克服较高的极化电势才能保证一定的反应速率；二是甲醇透过Nation膜向阴极渗透现象严重。若提高阳极催化剂活性，则甲醇可以被快速消耗掉，不仅有利于提高甲醇的利用率，而且可以降低阳极和电解质界面间的甲醇浓度，减小渗透压力，从而降低甲醇渗透对电池性能的影响。一般地，对高性能电极催化剂的要求主要有以下几个特征:(I)电催化活性高，抗中毒能力强；(2)在电解质溶液中导电性能好；(3)物理性能和化学性能均稳定。石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维新型碳材料，具有类似于密集蜂巢的超大共轭结构。自从2004年首次利用机械剥离得到高纯度单层石墨烯之后石墨烯就受到了广泛的关注。石墨烯具有很大的比表面积，高导电性，很强的机械强度，基于石墨烯的这些性质石墨烯被广泛的运用于合成纳米复合材料，制造化学生物传感器，以及其他一些电化学原件等等。石墨烯的复合材料也广泛用于各种催化剂的改性，以提高其催化性能。研究事实也证明石墨烯的存在也的确很好的提高了各类催化的催化性能
技术实现思路
:针对目前甲醇氧化催化剂存在的一些问题，本专利技术设计并制备了一种石墨烯-钼/铜纳米粒子复合材料来作为催化氧化甲醇的新型催化剂的，同时本专利技术所使用的一步电沉积法也相对于其他一些制备方法更加简单易行。电催化测试结果表明这种新型的催化剂具有非常优越的催化性能。本专利技术目的之一在于提供一种石墨烯-钼/铜纳米粒子复合材料。本专利技术目的之二在于，提供上述石墨烯-钼/铜纳米粒子多级纳米结构的复合材料的应用。本专利技术的目的之三在于，提供一种简单易行的合成石墨烯-钼/铜纳米粒子复合材料的方法。一种石墨烯-钼/铜纳米粒子复合材料，在经打磨好的玻碳电极或经过表面处理干纯的纯钛片上，形成具有三维构造无规律多级叠加的石墨烯片层，部分石墨烯片层有翘起；钼和铜的合金纳米粒子复合在石墨烯片层上。所述的复合材料是由石墨烯和钼和铜纳米粒子经循环伏安电沉积复合而成。金属纳米粒子直径为约为80 120nm。本专利技术的一种石墨烯-钼/铜纳米粒子复合材料的制备方法是，复合材料由石墨烯，钼和铜的合金纳米粒子是经循环伏安电沉积复合而成。所述的循环伏安电沉积的过程是:在电沉积溶液电压首先依次达到钼和铜的还原电位，此时金属纳米粒子首先沉积，电位继续变化时会达到氧化石墨烯的还原电位，使得氧化石墨烯会在电极表面被还原，并沉积电极表面，通过这一循环，从而使得金属纳米粒子和还原的氧化石墨烯会同时沉积到电极表面并相互作用。重复上述电沉积操作；若干个循环后得到本专利技术的目标材料。所述的电沉积溶液为含氧化石墨烯和钼以及铜前驱体的混合溶液。在进行循环伏安电沉积操作前要通入氮气除去溶液中的溶解氧。所述的循环伏安电沉积是以经过Al2O3粉末打磨过的玻碳电极或者经过表面处理的纯钛片为工作电极，以Pt电极或者Pd电极为对电极，饱和甘汞电极(SCE)或者Ag/AgCl电极参比电极。所述的混合溶液中氧化石墨烯的浓度为0.2-0.4g/L ;钼纳米粒子和铜纳米粒子前驱体浓度分别为0.5-3mmol/L和0.1-lmmol/L。循环伏安电沉积的电位范围为-1.4 -0.6V。可将本专利技术的石墨烯-钼/铜纳米粒子复合材料修饰的电极，用于电催化氧化甲醇。本专利技术优选将所述的复合材料用于修饰玻碳电极作为工作电极电催化氧化甲醇。本专利技术通过电化学还原的氧化石墨烯与铜和钼的合金纳米粒子相互作用在电极表面沉积形成一种新型的多级纳米结构。制备石墨烯-钼/铜多级纳米结构的方法:将分散好的氧化石墨烯溶液，钼和铜的前驱体配成混合溶液并且在电沉积操作之前要通入高纯氮20-40min，将导电基底(之前已经用Al2O3粉末打磨好的玻碳电极或者表面已经处理干净的纯钛片)作为工作电极，参比电极，对电极分别按三电极系统安置于配好的混合溶液中，在通入氮气保护和电磁搅拌器搅拌的条件下，利用电沉积的方式将石墨烯以及金属铜和钼的合金纳米粒子电沉积到基底电极上得到我们所需要的纳米复合材料。所用仪器为电化学工作站以及电磁搅拌器，所选择的电沉积方式为循环伏安法。将石墨烯-钼/铜纳米粒子电沉积到基底电极表面的步骤包括:在电磁搅拌器搅拌以及通入氮气保护的条件下，先使用循环伏安法依次单独电沉积钼纳米粒子和铜纳米粒子前驱体的正价离子，找到钼离子和铜离子在这种酸碱度的缓冲溶液中的还原电位，然后再单独电沉积氧化石墨烯溶液同样的找出氧化石墨烯在这种酸碱度的缓冲溶液中的还原电位。然后同样在搅拌以及氮气保护的条件下将循环伏安的电沉积电位范围设定在可以同时将三种物质电沉积还原的电位范围内，使用循环伏安法电沉积之前配好备用的混合溶液一步将石墨烯-钼/铜纳米粒子电沉积到所选的基底电极上，得到我们所需要的复合材料的结构。实验所用氮气:高纯氮。钼的前驱体:H2PtCl6。铜的前驱体:EDTA_Cu。工作电极的选用:使用直径为3mm玻碳电极或者纯钛片。对比电极选用Pt或者Pd电极。参比电极选用饱和甘汞电极(SCE)或者Ag/AgCl电极。专利技术的具体过程如下:将工作电极(之前已经用Al2O3粉末打磨好的玻碳电极或者表面已经处理干净的纯钛片)，参比电极，对电极按照三电极系统组装于已经混合好的氧化石墨烯，H2PtCl6和EDTA-Cu的缓冲溶液内(之前已经通入氮气30min处理)，打开电磁搅拌器。在循环伏安电沉积的过程中，电压首先达到两种金属纳米粒子的还原电位，此时金属纳米粒子首先沉积，当电位继续变化时会达到氧化石墨烯的还原电位，这时候氧化石墨烯会在电极表面被还原，并且沉积到电极表面，在这一个循环中金属纳米粒子和还原的氧化石墨烯会同时沉积到电极表面并相互作用形成不同的纳米结构。本专利技术方法具有操作简单，绿色环保，实验操作快捷的优点，本方法制得的石墨烯-钼/铜多级纳米结构修饰的玻碳电极具很出色甲醇电催化氧化性能。附图说明:图1为石墨烯-钼/铜纳米复合材料的扫面电镜表征中可以看到石墨烯片层部分卷起形成多级纳米结构，金属纳米粒子复合在石墨烯片层上，形成无序的多级纳米结构。插入的高分辨透射电镜图可知该纳米粒子的晶格条纹只有一种，则有得到合成的离子只有一种晶型，即纳米粒子为单晶的合金粒子。图2为石墨烯-钼/铜纳米复合材料的能谱分析图，从元素组成我们可以看到该材料中含有钼和铜两种金属元素(其他非金属元素未标注)。图3为该材料的拉曼光谱分析曲线，图中a，b分别为石墨烯-钼/铜多级纳米结构复合材料和石墨烯的拉曼光谱图。图中有两个明显的峰，D峰(1296CHT1)和G峰(1588CHT1)这两个分分别为石墨烯的两个特征峰，且由图中可看出复合材料的两个特征峰明显比纯石墨烯的特征峰强，这是由于复合材料中的铜具有很好的拉曼增强作用造成的。图4为甲醇在H2SO4溶液中的电催化氧化作用曲线，图中a, b，c三条曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯?铂/铜纳米粒子复合材料，在经打磨好的玻碳电极或经过表面处理干纯的纯钛片上，形成具有三维构造无规律多级叠加的石墨烯片层，各个石墨烯片层大小不一，且有不同方向叠加石墨烯片层，部分石墨烯片层有翘起；铂和铜的合金纳米粒子复合在石墨烯片层上。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯-钼/铜纳米粒子复合材料，在经打磨好的玻碳电极或经过表面处理干纯的纯钛片上，形成具有三维构造无规律多级叠加的石墨烯片层，各个石墨烯片层大小不一，且有不同方向叠加石墨烯片层，部分石墨烯片层有翘起；钼和铜的合金纳米粒子复合在石墨稀片层上。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的复合材料是由石墨烯，钼和铜的合金纳米粒子经循环伏安电沉积复合而成。3.根据权利要求1所述的的复合材料，其特征在于，所得到纳米粒子直径为80 120nm左右。4.一种石墨烯-钼/铜纳米粒子复合材料的制备方法，其特征在于，复合材料由石墨烯，钼和铜的合金纳米粒子是经循环伏安电沉积复合而成；所述的循环伏安电沉积的过程是:在电沉积溶液电压首先依次达到钼和铜的还原电位，形成钼和铜的合金纳米粒子沉积，电位继续变化时会达到氧化石墨烯的还原电位，使得氧化石墨烯会在电极表面被还原，并沉积电极表面，通过这一循环，从而使得金属纳米粒子和还原的氧化石墨烯会同...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘承斌，罗胜联，张航，唐艳红，王博古，周贝，梁杰生，徐翔丽，李晓洁，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：