[发明专利]石墨纳米薄片上负载氮化物的方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种在石墨纳米薄片上负载氮化物的方法及其用途。

背景技术

燃料电池是一种高效、环境友好型能量转化装置。铂系贵金属是燃料电池典型的催化剂，但由于价格昂贵，资源稀少，制约了燃料电池的商业化进程。此外，铂系贵金属阴极O₂还原电催化反应动力学缓慢；阳极电氧化反应易在催化剂表面发生CO中毒，导致催化剂活性和使用寿命的降低。

过渡金属氮化钨(钼、钒)具有和铂系贵金属类似的催化特性、良好的导电性、电化学稳定性和抗CO中毒特性，是一种新型催化剂载体，有利于提高贵金属催化剂阴、阳极的反应活性和稳定性。然而过渡金属氮化物高温易团聚、尺寸大，很难制备高分散、小尺寸的纳米级氮化物，且生产成本高，不利于宏量生产与应用。膨胀石墨具有比表面积大、孔隙率高、价格便宜等优点，通过真空压力辅助的办法，将钨、钼或者钒源引入膨胀石墨层间，进而制得石墨片基复合材料。由于二维石墨片层独特的电子和结构特性，可有效地抑制纳米粒子迁移和团聚，从而可控制备小尺寸、高分散的氮化物纳米材料。

发明内容

本发明为了解决现有氮化物材料粒子尺寸大，易团聚，生产成本高的技术问题，提供了一种石墨纳米薄片上负载氮化物的方法。

石墨纳米薄片上负载氮化物的方法按以下步骤进行：

步骤一、按重量份数称取0.3～6份的钨源、钼源或钒源、1份的可膨胀石墨、0.05～0.6份的表面活性剂和50～100份的溶剂；

步骤二、将可膨胀石墨放入高温炉中，持续通入N₂或者Ar气作为保护气体，然后升温至700℃～1100℃，热处理1min～10min，再冷却至室温，得到膨胀石墨；

步骤三、将步骤一称取的钨源、钼源或钒源和表面活性剂溶于步骤一量取的溶剂中，在超声功率为100W的条件下超声15min，得到混合均匀的前驱体；

步骤四、将步骤二制得的膨胀石墨放入真空抽滤装置中，在真空度为0～-0.05MPa的条件下将步骤三制得的前驱体以3ml/min～5ml/min的滴速注入膨胀石墨中，滴加完成后，在超声功率为100W的条件下超声10min，在转速400r/min～2200r/min、温度为60℃～120℃条件下搅拌30min～24h蒸干溶剂，得到反应前躯体；

步骤五、将步骤四得到的反应前躯体置于坩埚中，在输出功率2000W、频率300MHz～300GHz、波长100cm～0.1cm的高温可控脉冲微波炉内设定脉冲开时间为5s～30s，脉冲关闭时间5s～30s，循环操作5～15次，得到氧化物/石墨纳米薄片复合体；

步骤六、将氧化物/石墨纳米薄片复合体置于管式炉内，以110ml～180ml/min的速度通入氮化处理的气体，以5℃/min的升温速度从室温升到400℃～700℃，再以1℃/min的升温速度从400℃～700℃升温到650℃～900℃，然后恒温1h～3h，得到氮化物/石墨纳米薄片复合体；

步骤一中所述的钨源是(NH₄)₆H₂W₁₂O₄₀、(NH₄)₆W₇O₂₄、WCl₆、Mo(CO)₆、H₂W₆O₁₉、H₃PW₁₂O₄₀、H₄W₁₀O₃₂、(NH₄)₆W₇O₂₄、Na₂WO₄、Na₂W₆O₁₉、Na₃PW₁₂O₄₀、Na₄W₁₀O₃₂、K₂W₆O₁₉、K₃PW₁₂O₄₀或K₄W₁₀O₃₂；