[发明专利]一种金属纳米颗粒内嵌类石墨烯及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种金属纳米颗粒内嵌类石墨烯及其制备方法与应用。它的制备方法，包括如下步骤：以有机小分子为碳源，将所述有机小分子置于石英舟内，利用常压物理气象传输法，在金属基底上直接沉积，即得到金属纳米颗粒内嵌类石墨烯催化剂。本发明采用固相迁移法合成互联金属纳米颗粒内嵌类石墨烯纳米片催化剂，具有多孔和较大的表面积，可以提供更多有效的活性位点，且对活性位点具有良好导电性和机械稳定性；对于大规模工业化经济高效获取低成本、安全环保的催化剂产业化具有重大的意义。

技术领域

本发明涉及一种金属纳米颗粒内嵌类石墨烯及其制备方法与应用，属于电催化剂领域。

背景技术

目前能源危机和环境问题受到越来越多的重视，开发安全、环境友好、成本低廉的能源转换和储存设备成为一种解决能源危机的有效途径。经过几代人的不懈努力，电化学水分解技术成为一种实用、可推广的制氢制氧技术，可与太阳能、风能等其他可再生能源相结合。同时，电化学水分解商业化具有广阔的应用前景，在能源应用领域具有不可或缺的作用。然而，电化学水分解所包含的两个半反应：阴极反应(析氢反应)和阳极反应(析氧反应)，都存在着多个质子耦合的电子转移过程，而且通常需要克服很高的过电位，动力学缓慢的问题，这严重制约着电解水的效率，不利于工业中的生产应用。同时，工业化电解水一般需要使用诸如Ir/Ru等贵金属材料作为催化剂，它们的高成本和稀缺性严重制约其大规模工业应用。因此，开发具有与贵金属催化活性相当的经济、丰富、高效的电解水催化剂是一个迫切需要解决的问题。

近年来，基于过渡金属的催化剂已经成为一种有效的催化剂。但是，大部分基于过渡金属的催化剂在大电流工作下，催化活性和稳定性都不理想。此外，涂抹在电极上的催化剂多数为粉末形式，在高电流密度下特别容易脱落，极不利于催化剂的性能和稳定性。因此，开发一种能够极大的简化生产工序，在大电流密度下具有优异性能的催化剂，仍然是一项具有挑战性的工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属纳米颗粒内嵌类石墨烯及其制备方法与应用，本发明采用固相迁移法合成互联金属纳米颗粒内嵌类石墨烯纳米片催化剂，具有多孔和较大的表面积，可以提供更多有效的活性位点，且对活性位点具有良好导电性和机械稳定性；对于大规模工业化经济高效获取低成本、安全环保的催化剂产业化具有重大的意义。

本发明提供的一种金属纳米颗粒内嵌类石墨烯的制备方法，包括如下步骤：以有机小分子为碳源，将所述有机小分子置于石英舟内，利用常压物理气象传输法，在金属基底上直接沉积，即得到金属纳米颗粒内嵌类石墨烯。

上述的制备方法中，所述有机小分子选自结构式为如下式1-21所示化合物中的任意一种；

式1-21中，X为Br、F、I、C1或H；R₁至R₁₁均选自Br、F、I、C1或H。

上述的制备方法中，所述方法中还包括将所述碳源压制成片状之后置于所述石英舟内的步骤，上述压制的目的是为了有效控制所述碳源的升华速率和精确控制样品的生长速率。

上述的制备方法中，所述压制的方法采用物理压片法。

上述的制备方法中，所述压制的条件如下：在10～20MPa条件下压制1～3分钟；条件具体可为在15MPa下压制2分钟。

上述的制备方法中，所述金属基底选自镍、铁、铜和镍铁中的至少一种，具体可为泡沫镍、泡沫铁、泡沫镍铁(镍铁比为1∶1)。

上述的制备方法中，所述常压物理气象传输法的条件如下：温度可为500～650℃，具体可为550℃；时间可可为1h～10h，具体可为10h或5h～10h；载气为惰性气体；所述载气的流速可为20～50sccm，具体可为30～50sccm或50sccm。

上述的制备方法中，所述惰性气体为氩气。