[发明专利]一种碳空心球内层负载的金属纳米催化剂制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种碳空心球内层负载的金属纳米催化剂制备方法，包括步骤：（1）制备碳空心球（CHS）；（2）将碳空心球的壳层微孔化处理；（3）酸化处理；（4在碳空心球空腔与表面微孔中填充金属氧化物；（5）在中性溶液中将碳空心球表面用聚多巴胺修饰；（6）氧化石墨烯修饰的碳空心球的制备；（7）碳空心球内层负载的金属纳米催化剂的制备。本发明制备的金属纳米催化剂通过碳层和石墨烯的保护，大大增强了材料的电化学性能和稳定性。

技术领域

本发明属于新型电化学催化材料领域，具体涉及到一种碳空心球内层负载的金属纳米催化剂制备方法与应用。

背景技术

纳米尺寸的碳空心球是碳材料中具有纳米结构的一种新产物，它具有独特的内部空腔结构，并且它的球形大小和壳层厚度可以在纳米尺度范围内进行调控。这些特殊的结构使其可以作为金属纳米颗粒的载体，从而形成具有特殊结构、独特性质的复合电催化剂，在电化学催化、能源材料电化学等很多领域具有广泛应用。此外，纳米空心碳球（HCSs）作为具有空腔结构的一种球状纳米碳材料，它的孔容量大、比表面积高、物理和化学稳定性良好、密度低、壳层厚度以及空腔大小可调控。因此，以碳空心球作为金属纳米颗粒催化剂的载体，能够有效地分散纳米颗粒，提高它的电催化活性。

但由于碳空心球自身性质的限制，它的表面所产生的活性位点数有限，其性能有待进一步改善。为了改善它的性能，通常对碳空心球表面进行功能化处理，其中掺杂处理是一种有效的方法。氮是一种很常见的掺杂元素，通过对CHS进行氮掺杂，即使是少量的氮掺杂，也能较为显著地改变碳的晶体结构，提高碳材料的导电性，改善分子之间的相互作用，增强碳材料的催化活性，对碳材料的物理-化学性质产生显著影响。这种氮掺杂的碳空心球（N-CHS）在电化学领域具有非常广泛的应用

一般地，碳空心球或氮掺杂的碳空心球作为催化剂载体，催化剂颗粒分散在碳空心球的表面。但这样的催化剂在使用过程中通常会发生颗粒之间的团聚，以及颗粒从碳空心球表面脱落的现象，最终导致催化剂的活性明显下降。另一方面，碳空心球或氮掺杂的碳空心球表面的石墨化程度有限，导致它的导电性并不是很强，这也减弱了它作为催化剂载体的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳空心球内层负载的金属纳米催化剂，本发明的目的还提供了一种碳空心球内层负载的金属纳米催化剂制备方法。

为达到上述目的，本发明的实施方案为：一种碳空心球内层负载的金属纳米催化剂制备方法，包括以下步骤：

（1）制备碳空心球（CHS）；

（2）将碳空心球（CHS）在二氧化碳气氛下，以3 °C/min的升温速率从室温升至850°C，并在850 °C时恒温0.5 h，随后自然冷却至室温，得到表面微孔化的碳空心球；

（3）将表面微孔化的碳空心球与30wt%的HNO₃溶液按100mg:20mL的质量:体积比混合，在70^oC水浴中搅拌后过滤，用纯水洗至中性，在50^oC下真空干燥，得到酸化处理的碳空心球；

（4）将上述酸化处理的碳空心球与金属盐水溶液混合，不断搅拌下将所得混合物加热到60^oC，在此温度下充分搅拌，往混合物不断滴加浓度为1mol× L^-1的NaOH溶液，直至混合物的pH值为9-11，继续搅拌后过滤，用纯水洗至中性，所得固体在50^oC下真空干燥，得到填充金属氧化物的碳空心球；所述酸化处理的碳空心球与金属盐水溶液的质量:体积比为200mg:100 mL；

（5）将上述填充金属氧化物的碳空心球与浓度为0.1 mol× L^-1的PBS缓冲溶液混合，超声分散，接着加入浓度为2 mg × mL^-1的多巴胺溶液，搅拌均匀后，再加入浓度为4.5mg × mL^-1的过硫酸铵溶液，将所得混合物在室温下缓慢搅拌后过滤，纯水洗，得到聚多巴胺修饰的碳空心球；