[发明专利]一种氮掺杂石墨烯负载铂纳米粒子催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂石墨烯负载铂纳米粒子催化剂的制备方法。

背景技术

石墨烯(GNs)是一种单层碳原子面的二维晶体，GNs具有非同寻常的导电性能、超高的比表面积、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，应用前景非常广阔。目前，GNs由于其优良的性能被广泛用于载体材料负载Pt纳米粒子。然而，如果GNs表面不经过修饰直接负载Pt纳米粒子，往往导致粒子的粒径分布不均匀且粒径较大。而且，未经表面修饰而直接负载Pt纳米粒子导致了复合材料在电催化的过程中，Pt纳米粒子很容易从GNs表面脱落或者由于Pt纳米粒子的迁移而聚集，从而降低了电活性。而经氮掺杂后的NGs则可以有效解决以上问题。一方面，在GNs的框架结构中引入氮原子，氮原子不仅起到了加速成核的作用，同时还增加了Pt纳米粒子与NGs的相互作用，增强了复合纳米材料的稳定性。另一方面，在GNs的框架结构中引入氮原子增加了其费米能级从而增加了导电性。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种氮掺杂石墨烯负载铂纳米粒子催化剂的制备方法，它具有制备方法简单方便和制备的产品催化活性高的优点。

本发明是这样来实现的，通过液-液界面聚合法合成分布均匀的PANI/GO纳米复合材料，界面聚合的方法有效防止了该复合材料的团聚，有利于PANI材料中氮原子顺利地掺入GNs的框架结构中。接下来通过高温热解的方法，在管式炉中800 °C条件下高温处理2小时，即可制备得到NGs。然后以NGs为载体负载Pt NPs，由于氮原子的掺入，为Pt NPs的高效均匀负载提供了大量活性位点，因此NGs无需经过任何的表面修饰即可均匀地负载Pt NPs。电化学测试结果表明，制备的Pt/NGs催化剂对甲醇氧化和氧气还原具有优良的电催化活性，有效提高了贵金属铂的利用率和催化性能。

本发明实现步骤为：

（1）氧化石墨烯(GO)的制备：采用改进的Hummers方法制备氧化石墨烯(Li, D.; Muller, M. B.; Gilje, S.; Kaner, R. B.; Wallace, G. G. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 101-105; Hummers, W. S.; Offeman, R. E. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 1339; Cote, L. J.; Kim, F.; Huang, J. X. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 1043-1049.)。具体合成过程如下，将1.0 克(g)石墨和1.0 g NaNO₃加入46 毫升(mL)浓度为98%的硫酸溶液中，冰浴机械搅拌20分钟后，缓慢加入6.0 g KMnO₄，转入水浴中控制温度为35 °C，继续搅拌60分钟后，从水浴中取出置入室温条件下加入80 mL二次蒸馏水，搅拌30分钟后，加入200 mL二次蒸馏水，再缓慢加入6 mL质量比(wt%)为30 wt% H₂O₂溶液，在室温条件下反应1小时，反应结束后用二次蒸馏水清洗至滤液为中性，将所得产物分散到500 mL二次蒸馏水中，在超声波功率为150 W-200 W条件下超声2小时，即制得均匀分散的GO；

（2）液-液界面聚合法合成聚苯胺/氧化石墨烯(PANI/GO)纳米复合材料：取500 mg苯胺溶于500 mL二氯甲烷(CH₂Cl₂)中，转移至1200 mL反应瓶中作为底部有机层；将15 mg GO和500 mg FeCl₃·6H₂O均匀分散在500 mL浓度为1 mol/L的HCl溶液中，将混合溶液沿着瓶壁轻轻倒入上述有机溶液的上层，建立液-液界面体系；在30 °C条件下反应48小时后收集上层溶液，再用二次蒸馏水离心清洗产物，离心清洗转速为10000 r/min, 离心时间为5分钟，产物在40 °C条件下真空干燥48小时，即制得PANI/GO纳米复合材料；

（3）高温热处理法制备氮掺杂石墨烯(NGs)：取10 mg PANI/GO置于管式炉中，在氩气保护下800 °C高温处理2小时，冷却到室温，即制得NGs；