[发明专利]一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料及制备与应用

说明书

本发明属于电催化材料领域，公开了一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料及制备与应用。将氧化石墨烯超声分散于去离子水中，依次加入吗啉乙磺酸、钴金属盐和硫粉搅拌混合均匀，得到混合液；将所得混合液在150～180℃水热反应，得到前驱体固体粉末，然后加热至300～600℃煅烧处理，降温后即得到所述二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料。本发明的制备方法简单，所制备的二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯电催化材料结构稳定，导电性能良好，作为电催化材料具有优异的催化性能和高稳定性。

技术领域

本发明属于电催化材料领域，具体涉及一种二硫化钴/硫氮共掺杂石墨烯催化材料及制备与应用。

背景技术

燃料电池(Fuel Cells)这种将燃料的化学能高效且环境友好地直接转化成电能的新能源技术，因其具有能量转化效率高、对环境影响小(零排放或者低排放)、燃料多样化等诸多优点而受到广泛关注；它们被誉为是继水力、火力、核能之后第四代发电技术。而其中的质子交换膜燃料电池更是具有工作温度低、启动速度快的优点，被认为最有希望替代内燃机成为未来的汽车动力装置。目前，尽管对质子交换膜燃料电池的研究取得了很大进展，并陆续有以质子交换膜燃料电池为动力的示范性电动汽车面世，但要实现质子交换膜燃料电池大规模商业化应用还有大量的科学技术难关需要去攻克。其中，成本高和寿命短是制约质子交换膜燃料电池发展的两大突出问题，而导致这两大问题的关键因素之一在于电催化剂。过去，商业化燃料电池中使用最多的催化剂是铂或铂合金，但由于铂资源匮乏，价格昂贵，抗毒性差等限制了其在质子交换膜燃料电池中的应用。特别是电池中阴极，因其氧还原反应(Oxygen reduction reaction,ORR)速率远低于阳极燃料(如氢)氧化反应的速率，从而需要比阳极高出许多的催化剂去加速其氧还原反应进程；目前质子交换膜燃料电池阴极铂载量占电池总铂载量的75％左右。因此，开发低成本、高活性的ORR非铂催化剂来替代铂碳催化剂，被认为是降低燃料电池成本，从而实现其大规模商业化应用的最佳途径。

石墨烯因具有独特的物理、化学、机械性能，如高的理论比表面积、优异的机械强度、良好的柔韧性和高的电导率等而备受关注，它们被认为在电容器、传感器、锂离子电池、燃料电池等方面都有着光明的应用前景。如果能结合石墨烯特有的性能，将其进行适当的修饰和复合后使其具有良好的氧还原催化活性，从而应用于燃料电池阴极催化剂，将会是一件意义重大的工作。

2008年中国科学院化学研究所刘云圻研究组采用化学气相沉积法首次公开了掺杂石墨烯及其制备方法(CN101289181)。另外斯坦福大学戴宏杰课题组通过电热得到了氮掺杂石墨烯(Science 2009,324,768)。至此，掺杂石墨烯材料的制备及性能研究逐渐成为人们关注的热点。例如，Qu等(ACS Nano,2010,4,1321-1326)用CVD法制备出了N/C＝4％的掺氮石墨烯，层数为2～8层。在0.1M KOH溶液中，以此掺氮石墨烯修饰的工作电极尽管起始电位比Pt/C电极低0.2V，但其电流密度却是Pt/C电极的3倍，ORR反应按4电子过程进行。Parvez等人(ACS Nano,2012,6,9541-9550)则用氧化石墨与氨腈为前驱物，通过两步热处理制备了掺氮石墨烯。第一步热处理温度为500℃，持续时间为4小时，氨腈被分解成CN；第二步温度为800℃、900℃或1000℃，形成CN-G形式的掺氮石墨烯。TEM显示，此材料实际为石墨烯与含氮无定形碳的混合物。