[发明专利]一种铂铅/氮掺杂石墨烯复合物纳米材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种铂铅/氮掺杂石墨烯复合物纳米材料及其制备方法，并涉及电化学催化的应用。

背景技术

目前，石墨烯作为一种具有单层碳原子结构的新型材料，是一种可能具有高效性能的替代载体。由于其独特的物理和化学性质，已被广泛应用于电子学、光子学、传感器以及绿色能源等技术领域，参见：(a) X. Huang, Z. Y. Zeng, Z. X. Fan, J. Q. Liu, H. Zhang, Adv. Mater. 24(2012), 5979；(b) X. Li, H. Wang, J. T. Robinson, H. Sanchez, G. Diankov, H. Dai, J. Am. Chem. Soc. 131(2009), 15939. (c) D. Chen, L. H. Tang, J. H. Li, Chem. Soc. Rev. 39(2010], 3157。然而，石墨烯单独存在时容易发生团聚，且与其他金属制成复合材料时，由于石墨烯是一种二维敞开体系，使得金属颗粒和石墨烯发生团聚或石墨烯不能有效地阻止金属颗粒的体积膨胀。为了进一步增强石墨烯的各种性能，除了从形态学上控制，掺杂外来原子也是增强石墨烯性能的一种重要方法。对石墨烯等碳基材料掺杂外来原子可以修饰内部结构，使其表面负 载自由电荷密度增大，进而导电导热等性能得到增强。

目前，人们通过氮掺杂改变石墨烯表面化学性质，创造拓扑缺陷，调节石墨烯的电子结构。相比于石墨烯，氮掺杂石墨烯具有更大的比表面积、更好的热稳定性、良好的电学以及机械特性，在锂离子电池和超级电容器等方面都表现出了较高的效率，尤其是具有优越的电化学催化能力。参见：(d) C. Tang, H. Wang, H. Wang, Q. Zhang, G. Tian , J. Nie, F. Wei, Adv. Mater. 27(2015), 4516；(e) Y. Ding, P. Kopold, K. Hahn, P. A. van Aken, J. Maier, Y. Yu, Adv. Funct. Mater. 26(2016), 1112；(f) H. Cui, H. Yu, J. Zheng, Z. Wang, Y. Zhu, S. Jia, J. Jia, Z. Zhu, Nanoscale 8(2016), 2795。但是，氮掺杂石墨烯仍存在氮活性位点缺失等不足，从而导致其光电催化等性能不稳定。因此，有必要进一步对氮掺杂石墨烯进行改性，使其具有更加优异而稳定的化学性能。

而铂铅两元催化剂也具有优越的电化学催化能力，它能够解决由类一氧化碳物质所引发的铂催化剂中毒的问题，调控金属铂的电子能带结构，增大电化学活性面积，从而提高铂基催化剂的电化学活性，比起其它对应的单金属或混合的催化材料，表现出了更好的电化学催化效果。参见：(g) Y. Kang, L. Qi, M. Li, R. E. Diaz, D. Su, R. R. Adzic, E. Stach, J. Li, C. B. Murray, ACS Nano 6(2012), 2818；(h) D. Chen, Z. Zhou, Q. Wang, D. Xiang, N. Tian, S. Sun, Chem. Commun. 46(2010), 4252；(i) D. Chen, Y. Zhao, Y. Fan, X. Peng, X. Wang, J. Tian, J. Mater. Chem. A 1(2013), 13227。

鉴于氮掺杂石墨烯和铂铅两元催化剂均具有优良的电化学催化性能，可将两种材料复合在一起形成复合材料，预期具有比两者单独更加优异的性能，可进一步扩宽其应用领域。通过合金化效应，以及铂与铅之间的电子离域化改变了铂-铅纳米粒子的电子结构，使得这些纳米粒子更难给出或失去电子（比如氧化），阻止了通过形成铂-氧键所引起的Pt的溶散。同时合金纳米粒子与氮掺杂石墨烯之间特殊的相互作用，使粒子能均匀地分散在纳米片表面，能极大地增强催化性并提高稳定性。参见：(j) Z. Cui, H. Chen, M. Zhao, F. J. DiSalvo, Nano Lett. (4)2016, 2560;(k) G. Yang, Y. Li, R. Kumar Rana, J. Zhu, J. Mater. Chem. A 1(2013), 1754.但是，关于铂铅/氮掺杂石墨烯复合物纳米材料的制备及其在电化学催化领域的应用目前还未见公开报道。因此，开发铂铅/氮掺杂石墨烯的复合材料作为催化剂具有重要的研究意义。

发明内容