[发明专利]一种硼掺杂石墨烯纳米带负载镍单原子催化剂及制备方法

说明书

本发明涉及一种硼掺杂石墨烯纳米带负载镍单原子催化剂及制备方法，包括石墨烯纳米带的制备，硼掺杂石墨烯纳米带的制备和硼掺杂石墨烯纳米带负载镍单原子的制备，制备得到一种硼掺杂石墨烯纳米带负载镍单原子催化剂。与现有技术相比，本发明以硼掺杂石墨烯纳米带为带状载体，镍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，尤其是涉及一种硼掺杂石墨烯纳米带负载镍单原子催化剂及制备方法。

背景技术

电解水制氢是一种方便、高效和有发展前景的制氢方法。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，提高电极材料的长程稳定性和循环稳定性是电催化领域研究的热点和重点。通常而言，贵金属铂基催化剂，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；然而由于铂基材料自身低地壳丰度以及其高昂的价格，严重地制约了析氢催化材料的发展进程。近年来，非贵金属基单原子催化剂，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来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硼掺杂石墨烯纳米带负载镍单原子制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

硼掺杂石墨烯纳米带负载镍单原子的制备方法，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强氧化剂中，在一定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) 硼掺杂石墨烯纳米带的制备

将石墨烯纳米带超声处理，然后加入硼前躯体，然后在水热釜中高温反应进行硼掺杂，得到硼掺杂石墨烯纳米带；

(3) 硼掺杂石墨烯纳米带负载镍单原子的制备

将硼掺杂石墨烯纳米带，稳定剂溶解在去离子水中，持续搅拌下加入镍前驱体，然后快速冻干在液氮中低温反应。然后气氛保护下升温到一定温度反应，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，真空干燥后得到石墨烯纳米带负载镍单原子。

步骤（1）中强氧化剂为硫酸和高锰酸钾。

步骤（1）中的温度为50℃到700℃。

步骤（2）中的步骤（2）中所述的硼前躯体为硼酸三异丙酯，三氯化硼，硼酸三乙酯，二氯苯硼烷，三乙基硼，氮化硼，三氟化硼二甲醚，硼酸，硼酸钾，硼酸铵，硼酸钠，硼酸钙，三苯基膦硼烷，三溴化硼，甲基硼酸，三甲胺硼烷，三乙胺硼烷的一种或多种组合。

步骤（2）所述的水热釜中反应温度为30℃到600℃。。

步骤（2）中的反应时间为10分钟到2小时。

步骤（3）中的稳定剂为乙烯基磺酸钠，水性醋酸乙烯酯，，丙烯酸酯，乙二胺四乙酸, 柠檬酸钠，乙二胺四乙酸二钠，抗坏血酸，乙二胺四乙酸四钠，乙二胺四乙酸铁钠的一种或多种组合。