[发明专利]一种微纳结构磷化物/氧化物/石墨烯复合材料的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种微纳结构磷化物/氧化物/石墨烯复合材料的制备方法及其应用，微纳结构磷化物/氧化物/石墨烯复合材料由过渡金属磷化物/氧化物复合纳米粒子、石墨烯以及无定型碳基体构成，石墨烯包裹在无定型碳基体上，过渡金属磷化物/氧化物复合颗粒以纳米粒子的形态分布在石墨烯和无定型碳基体上；微纳结构磷化物/氧化物/石墨烯复合材料应用为燃料电池正极氧气还原催化剂。本发明的优点在于：本发明利用微生物形态多样、易于培养的特点，选择富含磷壁酸的革兰氏阳性（G+）菌种作为模板、碳源和磷源，制备的复合材料具有稳定可控的、多样化的微纳结构，且制备方法经济、环保、高效，适于工业化生产。

技术领域

本发明属于电催化、电极材料技术领域，特别涉及一种微纳结构磷化物/氧化物/石墨烯复合材料的制备方法及其应用。

背景技术

电催化作为电化学反应的关键过程，在很多电化学器件中发挥着重要作用。例如，燃料电池正极的氧气还原反应(ORR)一般需要贵金属铂作为电催化剂，但铂的稀有性和高成本严重限制了其大规模和商业化应用。研发廉价的替代品一直是化学家和材料科学家的共同目标，其中过渡金属(Fe、Co、Ni等)磷化物和氧化物具有非常大的发展前景。得益于过渡金属半空d轨道和价态可变特征，这些过渡金属化合物展现出良好的催化活性，并且具有成本低的优点。但是过渡金属氧化物存在导电性差的缺点，而磷化物虽然具有良好的导电性，其稳定性不如氧化物。因此，将氧化物与磷化物复合，并适量添加石墨烯，利用不同成分的协同效应有望进一步提高电催化活性。

除了活性成分，对于电催化剂来讲，微观结构是影响电催化效率的另一重要因素。将电催化剂做成不同的微纳形貌，不仅能够提高活性面积，同时也有利于电荷与物质的高效传输。然而，现有的人工制备方法只能获得有限的、相对简单的结构。

细菌，作为微生物家族的一员，来源广泛，易于培养，并且具有多种不同的形态，如球形、杆形、螺旋形、梭形、星形等，以其为模板可以获得不同微纳结构的材料；更重要的是，对于革兰氏阳性(G+)菌种，除了细胞膜的磷脂双分子层，细胞壁内还含有大量的磷壁酸，为合成磷化物提供了丰富的磷源。

发明内容

为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明提供了一种微纳结构磷化物/氧化物/石墨烯复合材料的制备方法及其应用。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种微纳结构磷化物/氧化物/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述微纳结构磷化物/氧化物/石墨烯复合材料由过渡金属磷化物/氧化物复合物、石墨烯以及无定型碳基体构成，石墨烯包裹在无定型碳基体上，过渡金属磷化物/氧化物复合物以纳米粒子的形态分布在石墨烯和无定型碳基体上；

所述微纳结构磷化物/氧化物/石墨烯复合材料是通过以下步骤制备而成：

步骤1：将过渡金属前驱体吸附在细菌上：将革兰氏阳性(G+)菌种溶解在水中，加入适量石墨烯、过渡金属盐和三乙醇胺，用氨水调节pH至8-10，在60-90℃下搅拌至少1小时，陈化之后用去离子水和乙醇清洗，干燥备用；步骤2：热处理获得微纳结构磷化物/氧化物/石墨烯复合材料：将步骤1干燥得到的样品在惰性气体气氛或真空条件下以小于5℃/min的速率从室温升至600-900℃，保温1-4h，自然冷却至室温，获得保留细菌微观形貌的微纳结构磷化物/氧化物/石墨烯复合材料。

进一步的，所述步骤1中的细菌为球形、杆形或梭形中的一种。

进一步的，所述细菌为球形时，获得的材料是直径为200nm-1μm的亚微米球。

进一步的，所述细菌为杆形时，获得的材料是长度1-5μm，横向直径为100-500nm的杆状材料。