[发明专利]一种添加碳纳米颗粒的磷氮双掺杂石墨烯制备方法

说明书

本发明公开了一种添加碳纳米颗粒的磷氮双掺杂石墨烯制备方法。首先将0.1～0.5g片状氧化石墨烯置于乙醇溶液中均匀搅拌得到氧化石墨烯悬浊液；再称取1g～10g的六氯环三磷腈溶于氧化石墨烯悬浊液中均匀搅拌；在六氯环三磷腈与氧化石墨烯的混合悬浊液中加入5mg～50mg的活性炭纳米颗粒固体粉末后超声分散，再均匀搅拌均匀。待混合溶液变为黑色胶装粘稠态后置于真空干燥箱中，使剩余乙醇完全蒸发；将干燥得到的六氯环三磷腈与氧化石墨烯固体用去离子水清洗3～5遍，再烘干研磨均匀，使用20～40目筛得到六氯环三磷腈与氧化石墨烯混合物粉末；将六氯环三磷腈与氧化石墨烯混合物粉末放入管式炉中，在氩气条件下加热到900℃煅烧1～2h，冷却至室温后得到添加碳纳米颗粒的磷氮双掺杂石墨烯。

技术领域

本发明属于非金属催化材料领域，尤其涉及一种添加碳纳米颗粒的磷氮双掺杂石墨烯制备方法。

背景技术

燃料电池发电系统由于其无噪声污染、有害气体排放少等优势，被认为是最有发展前景的新能源发电技术之一。铂/碳是燃料电池中使用最为广泛的电极催化剂材料，因为其对于氧分子与氢原子均具有很高的催化活性。然而，铂由于属于贵金属，因此价格高昂，且易因催化剂中毒而失活，严重的阻碍了燃料电池技术的商业化推广和应用。因此，开发具有较高活性和稳定性的非贵金属催化剂对于促进燃料电池的全面使用至关重要。

近年来，掺杂氮、硼、硫或磷等非金属杂原子的掺杂石墨烯材料由于其具有高导电性与对反应气体分子的强吸附特性，已广泛应用于超级电容器、空气电池、染料敏化太阳能电池和锂硫电池，以及燃料电池的电极材料之中。最近的基础研究发现，磷和氮共掺杂石墨烯比其他类型的掺杂方式表现出更显著的电化学性能，这是由于磷和氮原子的电负性不同，掺入可以有效调控石墨烯表面的带宽，增加了石墨烯表面的有效催化位点。然而，由于范德华力在石墨烯片之间的吸引作用导致石墨烯层的自发团聚和褶皱，阻碍了石墨烯层间的离子和电子输运。为了解决石墨烯表面的团聚问题，通过研究发现，加入间隔物颗粒材料是抑制和避免石墨烯基催化剂表面团聚的有效策略，而在众多间隔物材料中，活性炭纳米颗粒因其表面积大、易分散而成为最先进的间隔物材料之一。此外，在掺杂石墨烯间隔物的存在下，不仅可以提高电子导电率和比表面积，而且可以有效改善氧化还原性能。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种添加碳纳米颗粒的磷氮双掺杂石墨烯制备方法，以解决现有的磷氮双掺杂石墨烯制备技术中存在的工艺复杂、成本较高且结构易团聚等缺点。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种添加碳纳米颗粒的磷氮双掺杂石墨烯制备方法，其特征在于，依次包括以下制备步骤：

(1)首先将0.1～0.5g片状氧化石墨烯研磨至粉末状，置于乙醇溶液中，在恒温水域下均匀搅拌，得到氧化石墨烯悬浊液；

(2)再称取1g～10g的六氯环三磷腈溶于氧化石墨烯悬浊液中，在恒温水域下均匀搅拌，使之充分溶解于乙醇溶液中；

(3)在六氯环三磷腈与氧化石墨烯的混合悬浊液中加入5mg～50mg的活性炭纳米颗粒固体粉末，在10～30℃下超声分散，将碳纳米颗粒完全分散之后再在恒温水域下均匀搅拌，待混合溶液变为黑色胶装粘稠态后置于真空干燥箱中，在真空60～80℃条件下干燥6～12h，使剩余乙醇完全蒸发，六氯环三磷腈与氧化石墨烯混合物完全干燥为固体；

(4)将干燥得到的六氯环三磷腈与氧化石墨烯固体用去离子水清洗3～5遍，再烘干研磨均匀，使用20～40目筛筛选得到不同粒径尺寸的六氯环三磷腈与氧化石墨烯混合物粉末；

(5)将六氯环三磷腈与氧化石墨烯混合物粉末放入管式炉中，在氩气条件下加热到一定温度并煅烧一段时间，冷却至10～30℃后得到添加碳纳米颗粒的磷氮双掺杂石墨烯。

进一步的，所述乙醇为50mL的99.9％乙醇溶液。

进一步的，所述恒温水域的温度为40～60℃。