[发明专利]一种纳米复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于新型催化剂研发领域，具体地说，涉及一种新型纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前商用铂/碳(Pt/C)催化剂存在着成本较高、稳定性以及耐毒性较差等问题，严重制约了相关电池的大规模应用。随着纳米技术与材料化学的迅速发展，人们开始尝试研发新型纳米复合材料来取代Pt/C催化剂。

近年来，碳负载过渡态金属M(铁、锰、钴、镍、锌，II)的铁氧体(MFe₂O₄)纳米晶由于其优异的氧还原反应(ORR)催化活性，逐渐引起了人们的关注。此外，银(Ag)纳米晶具备优异的导电性和耐甲醇毒性，在直接甲醇燃料电池方面可以起到提高导电性和催化活性的作用。将MFe₂O₄纳米晶与Ag纳米晶一起负载在导电炭黑上，可以制备出Ag/MFe₂O₄/C纳米复合材料。导电炭黑的负载作用不仅改善了银纳米晶的分散和形貌，而且促进了MFe₂O₄纳米晶与Ag纳米晶之间的电子转移。因此，与MFe₂O₄/C和Ag/C相比，Ag/MFe₂O₄/C纳米复合材料表现出更强的电催化活性。这种纳米复合材料低成本、易规模生产，在锂离子电池和燃料电池中表现出良好的应用前景。然而，与商用Pt/C相比，Ag/MFe₂O₄/C纳米复合材料的催化活性还有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导电性好、催化活性高的新型电催化剂。目前商用Pt/C催化剂活性高，但是成本高、稳定性以及耐毒性较差；虽然Ag/MFe₂O₄/C纳米复合材料成本低、稳定性好，但是其导电性和催化活性较低。本发明将银-铁氧体(Ag-MFe₂O₄)异质纳米颗粒与石墨烯复合，提供一种高活性、低成本、稳定又耐毒的新型纳米复合材料及其制备方法和应用。

为了实现上述目的，本发明设计合成了一种石墨烯负载银-铁氧体纳米复合材料，其制备方法既可以采用银-铁氧体异质纳米颗粒直接负载在石墨烯上的工艺，也可以采用先将颗粒负载在氧化石墨烯上再还原的工艺。

一种纳米复合材料，所述纳米复合材料是由石墨烯负载银-铁氧体异质纳米颗粒复合而成。

其中，所述银-铁氧体异质纳米颗粒为银-过渡态金属M的铁氧体异质纳米颗粒，由粒径为3～10nm的金属银与1～3个粒径为3～10nm过渡态金属M的铁氧体结合形成。该异质纳米颗粒的制备方法参见专利申请号201610506179.7，一种银-铁氧体复合纳米颗粒的制备方法。

所述过渡态金属M为铁、锰、钴、镍、锌中的一种，其中过渡态金属M为II价。

工艺一：采用银-铁氧体异质纳米颗粒直接负载在石墨烯上的工艺：室温条件下，将银-铁氧体异质纳米颗粒和石墨烯按照质量比为1:2～5分散在有机溶剂中，超声10～60min，搅拌12～24h，磁分离，得到石墨烯负载银-铁氧体纳米复合材料。

工艺二：采用银-铁氧体异质纳米颗粒先负载在氧化石墨烯上形成氧化石墨烯负载银-铁氧体纳米复合材料，然后再还原制成石墨烯负载银-铁氧体纳米复合材料的工艺：室温条件下，将银-铁氧体异质纳米颗粒在有机溶剂中的分散液与氧化石墨烯在水中的分散液按照其中银-铁氧体异质纳米颗粒和石墨烯的质量比为1:2～5混合；超声10～60min，搅拌12～24h，取水相磁分离，得到氧化石墨烯负载银-铁氧体纳米复合材料。该材料用水洗涤3～5次，分散在乙二醇中，超声30～60min，用氢氧化钠调节pH＝13，氩气气氛下130℃回流反应2～3h，磁分离，得到石墨烯负载银-铁氧体纳米复合材料。

所述银-铁氧体异质纳米颗粒为银-过渡态金属M的铁氧体异质纳米颗粒，由粒径为3～10nm的金属银与1～3个粒径为3～10nm过渡态金属M的铁氧体结合形成。

所述过渡态金属M为铁、锰、钴、镍、锌中的一种，其中过渡态金属M为II价。

所述的有机溶剂采用非极性有机溶剂。

所述非极性有机溶剂为正己烷、环己烷、甲苯中的一种。

上述纳米复合材料在电催化剂方面的应用。