[发明专利]氮硫共掺杂石墨烯基负载核壳纳米粒子复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种氮硫共掺杂石墨烯基负载核壳纳米粒子复合材料及其制备方法和应用。该复合材料以氮硫共掺杂石墨烯为基底，Co@Co₃O₄核壳纳米粒子均匀布设在氮硫共掺杂石墨烯基底上。其制备为：将氧化石墨烯分散在二甲基亚砜中，在搅拌状态下依次加入2‑甲基咪唑和醋酸钴，进行溶剂热反应，后处理后先在保护气体作用下高温煅烧，再置于空气中低温煅烧，即得到氮硫共掺杂石墨烯基负载核壳纳米粒子复合材料。该制备方法二甲基亚砜既做溶剂又做硫源，得到的复合材料中，氮硫在石墨烯中均匀掺杂，Co@Co₃O₄核壳纳米粒子粒径小且均匀布设在氮硫共掺杂石墨烯基底上，对于氧还原反应具有高效的催化活性，可广泛用于氢燃料电池中。

技术领域

本发明属于石墨烯基复合材料领域，具体涉及一种氮硫共掺杂石墨烯基负载核壳纳米粒子复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池是一种新能源发电装置，能够将燃料中的化学能直接转换为电能和其他无污染产物，具有能量转换率高、反应产物无污染、噪音低等特点。氢燃料电池是一种常见的燃料电池类型，它以氢气和氧气作为燃料，反应过程中副产品一般是无害的水和二氧化碳。然而氢气和氧气在常温状态下的反应动力学较为稳定，因此需要高效的催化剂来降低反应的势垒。

目前常见的商业催化剂为贵金属铂或铂基复合材料，由于铂储量低、价格高，耐久性差，不仅提高了燃料电池的成本，同时大大限制了燃料电池的产业化和规模化生产。所以，开发新型低成本的催化剂材料是燃料电池工业化的重点。石墨烯负载过渡金属复合材料是近年来研究的热点。石墨烯独特的褶皱结构可以有效阻止金属粒子团聚、迁移，提高催化剂的稳定性，其高导电性能够降低电池的内阻因而是一种理想的催化剂材料。对石墨烯进行掺杂一直是提升碳材料催化剂性能的重要方向，其中氮元素掺杂是迄今为止研究最多的，氮掺杂能够使整个碳材料的电荷密度增加，进而增加碳材料的导电性能和催化活性。然而随着对杂原子掺杂碳材料研究的深入，单一元素掺杂碳材料已经不能满足研究人员对材料性能的要求，因此需要开发制备工艺简便、元素掺杂均匀的多元素掺杂石墨烯。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种氮硫共掺杂石墨烯基负载核壳纳米粒子复合材料（Co@Co₃O₄/NS-RGO）及其制备方法和应用，该复合材料以氮硫共掺杂石墨烯为基底，Co@Co₃O₄核壳纳米粒子均匀布设在氮硫共掺杂石墨烯基底上，具有高效的氧还原催化活性，且制备工艺简单，成本低。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种氮硫共掺杂石墨烯基负载核壳纳米粒子复合材料，该复合材料以氮硫共掺杂石墨烯为基底，Co@Co₃O₄核壳纳米粒子均匀布设在氮硫共掺杂石墨烯基底上。

按上述方案，氮硫共掺杂石墨烯基负载核壳纳米粒子复合材料中，按质量百分比计，氮硫共掺杂石墨烯为46-52%，Co@Co₃O₄核壳纳米粒子为48-54%。

按上述方案，氮按质量百分比计占石墨烯质量的3.5-4.3%；硫按质量百分比计占石墨烯质量的3.9-4.7%。

按上述方案，Co@Co₃O₄核壳纳米粒子尺寸为15-20nm。

提供一种上述氮硫共掺杂石墨烯基负载核壳纳米粒子复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1）取氧化石墨烯加入二甲基亚砜中，超声分散后，在搅拌状态下依次加入2-甲基咪唑和醋酸钴；

2）将步骤1）中的混合溶液进行溶剂热反应，得到ZIF-67/氧化石墨烯前驱体；

3）将步骤2）中的前驱体进行后处理，然后在惰性气体氛围下进行煅烧，得到氮硫共掺杂石墨烯基负载钴纳米粒子复合材料；