[发明专利]铑/硼氮共掺杂石墨烯气凝胶三维复合电极催化剂的制备方法

说明书

本发明公开一种铑/硼氮共掺杂石墨烯气凝胶三维复合电极催化剂的制备方法，该复合方法包括以下步骤：将氧化石墨烯超声溶解于水中，然后在强磁搅拌下，向其中加入氟硼酸铵，随后将得到的混合物转移至水热釜中进行反应，反应完成后得到硼氮共掺杂石墨烯水凝胶。随后，将硼氮共掺杂石墨烯水凝胶置于含有铑盐的乙二醇溶液中，并将混合物再次转移至反应釜中进行反应，反应完成后得到铑/硼氮共掺杂石墨烯水凝胶，经透析水洗后，用冷冻干燥法除去样品中的水分，获得铑/硼氮共掺杂石墨烯气凝胶三维复合电极催化剂。应用本发明制备的铑/硼氮共掺杂石墨烯气凝胶三维复合电极催化剂在燃料电池领域具有较好的应用前景和经济效益。

技术领域

本发明涉及到一种电极催化剂的制备方法，具体地，涉及到一种铑/硼氮共掺杂石墨烯气凝胶三维复合电极催化剂的制备方法。

背景技术

在全球能源危机及环境污染问题日益严重的背景下，开发清洁且高效的能源转化系统具有重要的现实意义。直接甲醇燃料电池因其较高的能量转换效率及较低的污染排放受到了广泛的关注，在未来的航空航天、电动汽车及便携式电子设备等领域具有较好的应用前景。大量实验结果表明，金属铑对甲醇氧化反应具有很高的催化活性，可被用来作为直接甲醇燃料电池的电极催化剂材料。然而，铑在自然界中的储量十分有限，价格高昂，同时在催化过程中会发生中毒现象而导致催化活性降低，这在很大程度上制约了金属铑(Rh)在催化领域的大规模商业化应用。因此，寻求既有高催化活性、高抗毒性等优异性能且相对廉价的新型复合铑催化剂,对当今社会的经济发展和环境改善具有重大意义。

石墨烯因具有大的比表面积、高电导率、高机械强度、电化学稳定等优点，可作为金属铑催化剂的理想载体。同时，对石墨烯进行杂原子(如硼、氮、硫等)掺杂可优化其电子结构和化学活性，在负载金属颗粒的过程中提供更多的生长活性位点，显著增强金属与碳材料之间的相互作用，从而提高金属在催化体系中的整体分散性。最近的研究结果表明，相比于单一杂原子掺杂的石墨烯，硼氮共掺杂石墨烯材料中不同掺杂原子间存在着额外的协同效应，因而具有更为活跃的化学特性，有望进一步提高金属铑的催化活性。中国专利2016111746132公布了一种单分散金属原子/石墨烯复合催化剂及其制备方法和应用，该催化剂由单分散金属原子负载在石墨烯上/内构成；其中单分散原子的含量为0.0001wt％～5.0wt％；杂原子掺杂石墨烯的含量为95wt％～99.9999wt％；石墨烯中杂原子含量0wt％～90wt％。该专利公开了多种金属原子、多种元素掺杂的方式，利用金属原子的有机盐或无机盐负载到石墨烯上，但是该专利没有描述如何制备具体的掺杂石墨烯，且在制备催化剂的过程中需要涉及电解、剥离、提纯、热处理等多个操作步骤，条件较为苛刻。徐丛丛等报道了硼氮共掺杂石墨烯的制备方法(基于杂原子掺杂三维石墨烯气凝胶的杂化材料作为高效的氧电极催化剂[D].长春:长春理工大学,2016.)，该文献具体采用硼酸及尿素分别作为B源和N源来对石墨烯进行两步掺杂处理，且必须在氩气气氛保护下进行800-1000℃的高温热处理，整体合成过程较为繁琐并需耗费大量能量。