[发明专利]一种双掺杂多孔石墨烯阴极非铂催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及燃料电池催化技术领域，具体涉及一种双掺杂多孔石墨烯阴极非铂催化剂及其制备方法，所述催化剂按如下步骤制备：(1)中度还原氮掺杂氧化石墨烯的制备；(2)与第二种杂原子前驱体的均匀混合；(3)700～1000℃惰性气体中高温热处理制备得到催化剂。本发明制备的多孔石墨烯材料孔隙率高，比表面积大，有利于降低燃料电池中氧气和水的传质阻力，可用作质子交换膜燃料电池阴极氧还原催化剂。

技术领域

本发明涉及低温质子交换膜燃料电池非铂电催化剂的制备技术领域，具体地，涉及一种双掺杂多孔石墨烯阴极非铂催化剂及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其工作温度低（约80°C），具有可在室温快速启动、寿命长、对负载变化响应快、比能量高、环境友好等突出特点，被认为是解决能源危机和环境污染的最理想的能源之一。由于铂族催化剂在强酸性电解质中的高稳定性和高氧还原催化活性，目前燃料电池中普遍使用的催化剂主要是碳载纳米铂和铂合金催化剂，随着燃料电池的逐渐商业化，铂基贵金属催化剂带来的高成本将进一步限制燃料电池在未来的大规模应用。近年来，非贵金属催化剂由于其成本低而得到广泛的研究，主要是通过对碳材料进行掺杂和表面改性来提高其催化活性，但是与铂基催化剂相比依然存在较大的差距。石墨烯材料具有比表面积大、可塑性强、机械强度高、导电性好以及易于造孔等优点，无论是作为贵金属颗粒的载体，还是通过高温掺杂修饰得到非铂催化剂都具有相当的优势。相比于氮掺杂的碳材料，引入第二种杂原子的双掺杂多级孔结构的石墨烯将有利于提升氧还原催化活性。

据检索，现有技术中已进行了一些双掺杂石墨烯的电催化材料的研究，方法主要有化学气相沉积、两步软模板法、一步高温直接煅烧法，由于以上方法基本都是将需要掺杂的两种杂原子前驱体同时掺杂，或者是与氧化石墨烯直接混合然后再高温煅烧掺杂，其存在杂原子之间容易成键、还原过程中石墨烯片层容易堆积、比表面积较小等问题。本发明通过硬模板法，并采取两步掺杂的方式，硬模板的使用避免了还原过程中石墨烯片层之间的堆垛，增大比表面积，采取两步掺杂的方式有利于两种杂原子的共同掺杂，而不是成键。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种双掺杂多孔石墨烯阴极非铂催化剂的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种双掺杂多孔石墨烯阴极非铂催化剂的制备方法，包括以下步骤：

A、中度还原氮掺杂氧化石墨烯的制备：将氧化石墨烯粉末与溶剂A混合，得到分散液B；向分散液B中加入模板C；并加入氮源，进行溶剂热反应，然后过滤，洗涤，干燥，得到固体粉末D，将固体粉末D热处理后即得到中度还原氮掺杂氧化石墨烯；

B、将杂原子前驱体与中度还原氮掺杂氧化石墨烯均匀混合，在密闭容器中反应，得到双掺杂多孔石墨烯的前驱体E；

C、将前驱体E于惰性气氛中进行热处理，冷却后得到双掺杂多孔石墨烯阴极非铂催化剂。

优选地，所述氧化石墨烯的层数少于10层。

优选地，步骤A中，所述分散液B中的氧化石墨烯的浓度为0.1~5mg/mL，氧化石墨烯与模板C的质量比为1:1~1:5，当二者比例低于1:1时，得到的多孔石墨烯片层之间堆叠严重，当比例高于1:5时，模板的堆积密度过大，也不能有效的阻止石墨烯片层的堆积，因此选择此比例区间。

优选地，步骤A中，所述溶剂A为去离子水、无水乙醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或者两种以上溶剂的混合溶剂。

优选地，步骤A中，所述模板C为二氧化硅、氧化锌、氧化镁、聚苯乙烯球、聚甲基丙烯酸甲酯球中的一种或者几种，其尺寸在50 nm~500 nm。如果模板尺寸 50nm，需要提高模板的比例，而且石墨烯片层堆积严重；尺寸模板500nm时，石墨烯片层得到的孔径过大，材料的比表面积反而下降，导致催化活性位点减少。更优选聚苯乙烯球和二氧化硅。