[发明专利]一种含有石墨烯材料的催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化工领域，涉及一种燃料电池阳极催化剂，尤其是涉及一种含有石墨烯材料的催化剂及其制备方法。

背景技术

随着社会经济的发展，能源短缺和环境污染成为人们亟需解决的问题。与传统化石能源相比，新型高效环保的绿色能源如燃料电池成为解决上述问题的有效途径之一。其中，燃料电池由于具有能量密度高、燃料来源广泛而被应用在各个领域，催化剂是促进燃料电池大规模应用的关键，催化剂的载体如石墨烯等能够利用石墨烯优异的物理化学性质和载体与贵金属之间的相互作用等优点，同时引入其他过渡金属元素等形成的电催化剂可以降低贵金属的用量和使得电催化活性较单金属有所提高，从而使得研制催化剂更加广泛。因此，石墨烯材料负载多金属纳米粒子催化剂具有较好的研究前景。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种含有石墨烯材料的催化剂及其制备方法，所述的这种含有石墨烯材料的催化剂及其制备方法要解决现有技术中的电催化剂性能不佳、成本较高的技术问题。

本发明提供了一种含有石墨烯的催化剂，含有石墨烯，所述的石墨烯上负载有贵金属或者非金属中的任意一种或者两种的组合，所述的贵金属包括二元或者以上的至少一种金属构成的合金材料，所述的贵金属或者非金属在催化剂中的质量百分比为1~90wt%。

进一步的，所述的金属为钯、铂、镍、铜、银中的任意一种或者两种以上的组合。

进一步的，所述的非金属为磷或者硼元素中的任意一种或者两种的组合。

本发明还提供了上述的一种含有石墨烯的催化剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）一个制备石墨烯材料的步骤，以石墨为原材料，采用改进的Hummers法制备，加入强氧化剂分步氧化成氧化石墨；

（2）一个制备石墨烯负载贵金属或者非金属的步骤，将上述制得的石墨烯材料分散于水中，加入贵金属或者非金属前驱体和络合剂，调节pH为8~14，再加入还原剂，搅拌反应，干燥后即得到目的产物。

进一步的，步骤（2）中石墨烯载体材料和络合剂的质量比为1：（1~10）。

进一步的，贵金属前驱体与还原剂的质量比为1:6~50，贵金属前驱体的添加量满足：贵金属前驱体中的贵金属为石墨烯载体材料与贵金属质量之和的10~50%。

进一步的，当贵金属和非金属前驱体共同加入时，贵金属和非金属前驱体的质量之和为石墨烯载体材料的10~50%，非金属是贵金属前驱体质量的10~15倍量。

进一步的，非金属前驱体与还原剂的质量比为1:6~50，非金属前驱体的添加量满足：非金属前驱体中的非金属为石墨烯载体材料与非金属质量之和的10~50%。

进一步的，步骤（2）中所述的络合剂为EDTA、PVP、柠檬酸三钠或CTAB中的任意一种；所述的还原剂为硼氢化钾、硼氢化钠或水合肼中的任意一种。

进一步的，步骤（2）中搅拌反应的时间为1-5h。

本发明利用以石墨烯为载体，以金属前驱体为金属来源，通过简单水相还原法以还原剂还原金属纳米粒子后从而制得石墨烯材料负载多金属催化剂。相比于其他碳材料，石墨烯具有较大的比表面积和优异的电子传导性能；使得多金属前驱体能制得二元或三元金属材料，从而获得较高性能的催化材料；同时，非金属元素以其前驱体为来源，当引入非金属元素时，非金属元素一般填充在贵金属的晶格中，使晶格膨胀，与引入金属元素相反，正是这两种相反的效果协同调制了三元合金的几何和电子结构，从而进一步获得更好性能的催化材料。

本发明与现有技术相比，其技术进步是显著的。本发明通过以改性的石墨烯材料为载体，形貌特征成片层有褶皱，然后再均匀负载铂、钯、金或银纳米粒子等二元及以上金属，结合贵金属和载体之间的电子结构影响及协同效应，使得催化剂载体具有较大比表面积和较好电子传导率，从而具有在碱性醇类中具有良好的电催化活性以及电化学稳定性。本发明的制备工艺简单明了，适合规模化生产，实用价值高。

附图说明

图1为实施例1所得的石墨烯材料负载二元金属纳米粒子材料的XRD图；

图2为实施例1所得的石墨烯材料负载三元金属纳米粒子材料的XRD图；

图3为实施例1所得的石墨烯材料负载二元及三元金属纳米粒子材料的拉曼图；

图4为实施例1所得的石墨烯材料负载二元金属纳米粒子材料在1M NaOH +1M C₂H₅OH中的循环伏安图；