[发明专利]一种石墨烯纳米带负载钯单原子催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨烯纳米带负载钯单原子催化剂及其制备方法，包括石墨烯纳米带的制备和钯单原子的制备，制备得到一种石墨烯纳米带负载钯单原子催化剂及其制备方法。与现有技术相比，本发明以石墨烯纳米带为带状载体，钯单原子形貌特征呈均匀规则，并且在制氢领域具有良好的催化性能和稳定性，并且制备工艺简单，适于产业化生产，具有较高的经济价值。

技术领域

本发明属于制氢技术领域，尤其是涉及一种石墨烯纳米带负载钯单原子催化剂及其制备方法。

背景技术

随着当今时代的不断发展，电解水制氢由于能量密度高，产物无污染等优点成为资源能源危机发电的合适的替代者。电解水制氢反应发生在电极表面，包括阴极析氢反应和阳极析氧反应两个基本的半反应。对于电解水制氢反应而言，如何有效的提高催化材料的催化活性，降低析氢反应的开启过电势以及塔菲尔斜率，提高电极材料的催化性能和循环稳定性是电催化领域研究的热点和重点。通常而言，催化剂以铂基为主，由于其自身特殊的表面电子态以及良好的d电子中心位置，因而具有优良的电催化析氢活性，但是由于铂价格昂贵，储量低并且容易受到反应中间体CO的中毒，严重地制约了析氢催化材料的发展进程。因此钯由于价格低并且对CO的抗中毒能力强等优点越来越受到人们的重视。相比于传统载体活性炭，碳球，碳纳米管和石墨烯相比，通过纵向切割碳纳米管得来石墨烯纳米带约10nm宽，并且具有场效应的能隙带，助催化性能良好，因此在催化剂载体上具有巨大的应用前景。

近年来，将钯设计为单原子催化剂，由于其自身所具有的单原子尺寸效应，因此具有良好的氢气的吸附脱附能，从而可以预见该催化剂具有良好的电催化析氢性能。迄今，非贵金属基单原子催化剂用于电催化水解析氢领域仍然存在着较多的问题，其一是由于需要控制整个体系中没有金属键的产生，因而通常单原子基催化剂的负载量过小；其二是过渡金属硫族化合物是半导体，电子转移速率慢，因此采用导电性良好的基底对催化剂进行负载对于电催化剂而言至关重要；其三是制备得到的电极的循环稳定性问题，目前所制备得到的电催化剂负载电极的稳定性往往较差。综上，如何设计和制备具有高催化活性和良好稳定性的高负载量的单原子电解水析氢催化材料是当前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有良好的催化性能，并且制备工艺简单的石墨烯纳米带负载钯单原子制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

石墨烯纳米带负载钯单原子的制备方法，采用以下步骤：

(1) 石墨烯纳米带的制备

将多壁碳纳米管加入到高猛酸钾及浓硫酸中，在温度条件下进行氧化，经过多次离心清洗得到石墨烯纳米带；

（2）石墨烯纳米带负载钯单原子的制备

将石墨烯纳米带，稳定剂和钯前驱体溶解在去离子水中，然后在10-200℃下持续搅拌，然后将溶液离心收集并研磨，与固体粉末混合搅拌，使之充分混合。然后将在气体保护温度下退火；待系统自然冷却至室温后，用无水乙醇多次洗涤，真空干燥后得到墨烯纳米带负载钯单原子。

步骤（1）中所述的强氧化剂为过硫酸铵、过氧化钠、重铬酸钾、高锰酸钾、浓硫酸中的两种或多种。

步骤（1）中的温度为40℃到500℃。

步骤（1）中的强氧化剂与多壁碳纳米管的质量比为0.1%-10000%。

步骤（2）中的稳定剂为乙烯基磺酸钠，水性醋酸乙烯酯，2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚，丙烯酸酯，乙二胺四乙酸, 柠檬酸三丁酯，乙二胺四乙酸二钠，对羟基苯甲醚，乙二胺四乙酸四钠，聚乙烯醇，吩噻嗪，乙二胺四乙酸铁钠，对苯二酚。