[发明专利]一种富勒烯嫁接石墨烯材料负载钯催化剂及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种富勒烯嫁接石墨烯材料负载钯催化剂及其制备和应用。该催化剂以氨基功能化的富勒烯吡咯烷衍生物与石墨烯复合材料为载体。该制备方法包括：硝基功能化的富勒烯吡咯烷衍生物制备，氨基功能化的富勒烯吡咯烷衍生物制备，富勒烯嫁接石墨烯材料制备，富勒烯嫁接石墨烯材料负载钯催化剂制备。该催化剂具有好的催化活性和稳定性，具有在燃料电池中的潜在应用前景。

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂及其制备和应用领域，特别涉及一种富勒烯嫁接石墨烯材料负载钯催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池是近年来发展迅速的清洁能源之一。由于燃料电池中涉及到贵金属催化剂，因此成本高一直是制约其大范围商业化的主要瓶颈。为了降低成本和提高贵金属催化剂的有效利用，目前常用的方法是将贵金属催化剂负载到碳材料表面。在诸多的碳材料中，新兴的纳米碳材料如碳纳米管、石墨烯和富勒烯材料已经在燃料电池催化剂载体应用方面展现出了巨大的潜力。一般都是将单一的纳米碳材料用作载体来提高催化剂性能和降低成本，以复合纳米碳材料为载体的研究仍然较少。申请号为201710409807.4专利公开了通过非共价键自组装获得的富勒烯-石墨烯三维复合材料负载钯催化剂，其表现出比单一载体催化剂更为优越的催化性能。可见发展复合纳米碳载体是提高催化性能的有效途径之一。但富勒烯和石墨烯之间通过弱的非共价键作用结合的载体材料稳定性较差，难以有效克服石墨烯较强的堆积趋势，因此进一步探索通过共价键嫁接富勒烯于石墨烯表面无疑将有利于石墨烯的分散，并进而提高催化剂的催化性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种富勒烯嫁接石墨烯材料负载钯催化剂及其制备方法和应用，以克服现有技术中钯催化剂催化甲醇氧化反应活性不够的缺陷。

本发明提供一种富勒烯嫁接石墨烯材料负载钯催化剂，以氨基功能化的富勒烯吡咯烷衍生物与石墨烯复合材料为载体，所述氨基功能化的富勒烯吡咯烷衍生物的结构式为：式中n＝1～5。

所述载体是由氨基功能化的富勒烯吡咯烷衍生物与氧化石墨烯在溶剂中加热反应后还原得到。

本发明还提供一种富勒烯嫁接石墨烯材料负载钯催化剂的制备方法，包括：

(1)氮气条件下将富勒烯C₆₀、对硝基苯甲醛和肌氨酸以质量比为0.8-1.2:1.8-2.2:1.8-2.2在溶剂中反应，冷却，分离提纯，得到硝基功能化的富勒烯吡咯烷衍生物，其中富勒烯C₆₀与溶剂的比例为60-80mg:40-50mL；

(2)将步骤(1)中硝基功能化的富勒烯吡咯烷衍生物溶解于溶剂中，加入还原剂反应，分液得到的下层溶液调节pH至中性，过滤，洗涤，烘干，得到氨基功能化的富勒烯吡咯烷衍生物，其中硝基功能化的富勒烯吡咯烷衍生物、还原剂与溶剂的比例为95-105mg:250-300mg:95-105mL；

(3)将步骤(2)中氨基功能化的富勒烯吡咯烷衍生物与氧化石墨烯以质量比为1:6-10分散在溶剂中，氮气条件下80-100℃反应36-48h，冷却，离心分离，得到富勒烯嫁接石墨烯材料，其中氧化石墨烯与溶剂的比例为15-25mg:15-25mL；

(4)将步骤(3)中富勒烯嫁接石墨烯材料分散于水中，加入氯化钯水溶液，超声振荡，加入还原剂溶液，搅拌反应，离心分离，洗涤，得到富勒烯嫁接石墨烯材料负载钯催化剂，其中催化剂中载体与钯的质量比为4-6:1，富勒烯嫁接石墨烯材料与水的比例为15-25mg:30mL。

所述步骤(1)中溶剂为甲苯。

所述步骤(1)中反应温度为100-120℃，反应时间为12-16h。

所述步骤(1)中硝基功能化的富勒烯吡咯烷衍生物结构式为：式中n为1～5。

所述步骤(1)中分离提纯采用硅胶柱层析法，其中洗脱剂为甲苯/乙醇(5:1)。