[发明专利]一种高效电催化剂复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于多级孔结构石墨烯气凝胶的高效电催化剂复合材料及其制备方法和应用。该制备方法包括以下步骤：对氧化石墨烯分散液进行氧化刻蚀，得到表面带有丰富的贯穿介孔结构的氧化石墨烯片层分散液；加入还原剂进行还原组装，得到具有多级孔道结构的三维石墨烯水凝胶；用金属前驱体溶液浸泡上述三维石墨烯水凝胶，利用水热法或者高温热解法，冷冻干燥，即可得到所述高效电催化剂复合材料。这种特殊的多级孔结构充分暴露了催化剂的催化活性位点，大大提高了电解液对催化剂活性物质的浸润性，加速了催化过程中体系内部的传质；另外避免了支撑体材料因电化学氧化失效而导致的电催化活性丧失问题，表现出优异的催化活性、高催化稳定性和快传质特性。

技术领域

本发明属于纳米材料应用以及电催化剂合成与制备技术领域。更具体地，涉及一种基于多级孔结构石墨烯气凝胶的高效电催化剂复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

贵金属铂（Pt）、金（Au）、银（Ag）和钯（Pd）等是目前应用最为广泛的电催化剂材料之一，但是其成本高、储量少、稳定性不好等劣势严重限制了此类贵金属电催化剂的大规模应用。针对这一问题，目前通常采用的方案有两种：1）开发催化活性可以与贵金属类催化剂相媲美的非贵金属催化剂材料，虽然通过结构设计可以提高此类非贵金属催化剂的催化活性，但是其仍然获得无法令人满意的催化活性和稳定性，极大限制了其取代贵金属催化剂大规模应用的潜在可能；2）基于贵金属制备纳米合金化的复合电催化剂，通过精确的结构控制，充分暴露贵金属的活性位点，大大提高贵金属的单位质量催化活性，从而极大地减少贵金属催化剂的用量。较第一种方案，合金化的贵金属电催化剂材料的拥有更高的电化学催化活性、更低的过电势、更好的稳定性，具有更为优异的电化学催化综合性能和更加广泛的应用前景。

因制备过程中的团聚问题以及电化学过程中的熟化团聚、电化学腐蚀浸出问题，在实际应用中，合金化的贵金属纳米合金催化剂优异的综合催化性能往往无法得到完全发挥。碳载体的引入，可以很好地起到充分暴露、稳定和活化催化活性位点的作用，赋予最终的复合催化剂更好的综合催化性能。石墨烯作为高度石墨化的二维碳材料，具有优异的导电性、稳定性和机械性能，同时具有高的载流子迁移率和大的比表面积，从结构和本征特性上来说是理想的催化剂载体材料。然而，由于二维材料的本身属性，石墨烯用作电催化剂载体时，往往面临着严重的片层间堆叠团聚问题，进而导致慢的传质速率和活性位点被掩盖等问题。

通过石墨烯片层的自组装制备具有三维网络结构的石墨烯气凝胶是解决石墨烯片层用作载体时易发生的团聚问题的有效手段，并可以为电子传输提供了快速通道。而且，由于传统石墨烯气凝胶网络内部的传质往往受到孔壁的限制作用，不能在整个气凝胶内部形成快速的传质过程，与传统石墨烯气凝胶相比，三维结构石墨烯气凝胶负载型的贵金属纳米合金催化剂材料的综合电催化性能还有很大的提升空间。目前获得三维石墨烯负载纳米颗粒的复合材料还少有报道，而且很难使纳米合金颗粒均匀分散在三维石墨烯的结构中，其催化活性不理想，另外其支撑体材料容易因电化学氧化失效而导致电催化活性丧失。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷和不足，提供一种兼具快传质、高活性和高稳定性的基于多级孔结构石墨烯气凝胶的高效电催化剂复合材料。

本发明的第一个目的是提供一种基于多级孔结构石墨烯气凝胶的高效电催化剂复合材料的制备方法。

本发明的第二个目的是提供使用上述方法制备得到的高效电催化剂复合材料。

本发明的第三个目的是提供上述高效电催化剂复合材料在作为或制备电极材料中的应用。

本发明的第四个目的是提供一种包含上述高效电催化剂复合材料的催化剂载体。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种基于多级孔结构石墨烯气凝胶的高效电催化剂复合材料的制备方法，包括以下步骤：