[发明专利]一种高性能石墨烯负载介孔镍铁合金电催化剂及制备方法

说明书

一种高性能石墨烯负载介孔镍铁合金电催化剂及制备方法，属于石墨烯基电催化剂技术领域。以氧化石墨烯为初始载体，经过Sn²⁺的敏化和Pd²⁺的活化形成氧化石墨烯负载Pd纳米颗粒Pd/GO。将Ni源NiCl₂·6H₂O、Fe源FeCl₂·4H₂O、Pd/GO分散于表面活性剂鲸蜡醇聚氧乙烯醚(Brij 58)形成的溶致液晶中。以二甲基胺硼烷(DMAB)为还原剂，GO表面的Pd颗粒为成核中心，还原反应结束后除去Brij58得到石墨烯负载介孔镍铁合金电催化剂。该催化剂结合了石墨烯和介孔纳米结构，有利于电子的快速传输和增加催化活性位点，有较高的电催化析氧性能和优异的稳点性。

技术领域

本发明涉及石墨烯负载介孔镍铁合金复合材料电催化剂的制备方法及其应用领域。该方法制备出的催化剂特别适用于电催化析氧反应，具有高活性高稳定性，属于石墨烯基电催化剂技术领域。

背景技术

随着全球能源需求的不断增加，传统化石燃料的日益紧缺和自然环境的持续恶化，人们对高效的能量转换和存储技术进行了广泛研究。电化学析氧反应(OER)作为电解水和金属空气电池的半反应，引发了越来越多的关注和探索。由于OER过程的动力学缓慢，为减少电催化反应的施加电位，迫切需要开发高活性的电催化剂。Ru/Ir基电催化剂具有出色的催化活性和稳定性，在酸性和碱性溶液中均能提高能量转化效率。然而，上述贵金属基催化剂的高成本和地球资源的稀缺性阻碍了它们的广泛开发和应用。

石墨烯基催化剂不仅可以有效地负载各种功能性纳米颗粒，抑制纳米颗粒的积累和聚集，而且具有良好的导电性，有利于电子传输。另外，结构调整是提高催化性能的有效方法。介孔纳米材料因其大的比表面积，充足的活性位点和均匀可调的孔道被认为是增强电化学性能最有效的策略之一。石墨烯表面负载介孔金属颗粒的独特纳米结构不仅可以增强其界面接触，还可以抑制介孔颗粒的团聚，因此具有很强的机械强度。同时，介孔结构可以暴露更多的电催化活性位点，增强电催化性能。因此，介孔金属和石墨烯的紧密结合可以集合并增强双方的优势，为OER电催化剂的设计和开发提供新思路。然而，获得高度均一的介孔金属并与石墨烯紧密结合具有很大的困难，因此合成介孔金属颗粒/rGO的复合纳米结构极具挑战。

本发明为制备石墨烯负载介孔金属合金纳米复合材料提供了一种新的合成方法，通过溶致液晶模板法结合化学还原法合成具有高活性和高稳定性的石墨烯负载介孔镍铁合金电催化剂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能的石墨烯负载介孔镍铁合金复合材料电催化剂及制备方法，使负载介孔金属合金的石墨烯基电催化剂具有优异的电催化析氧性能。一种高性能的石墨烯负载介孔镍铁合金复合材料电催化剂，其特征在于，将具有有序介孔的金属合金分散负载在高表面积的石墨烯表面形成石墨烯负载介孔镍铁合金复合材料Ni_1-xFe_x/rGO，x＝0～0.20，其中介孔镍铁合金整体为球状的结构，球状结构本身为介孔结构；石墨烯和介孔金属合金形成相互交联的导电网络。

本发明上述的石墨烯负载介孔镍铁合金复合材料电催化剂按以下步骤制备：

(1)采用改良的Hummers法，剥离氧化天然石墨粉末合成氧化石墨烯(GO)。将得到的氧化石墨烯经过5％稀盐酸和去离子水反复离心洗涤至上清液为中性，以去除多余的反应物。氧化石墨烯通过离心收集后冷冻干燥。

(2)将步骤(1)得到的氧化石墨烯分散在氯化亚锡(SnCl₂)的盐酸溶液(PH≈3.0)，混合搅拌10分钟。去离子水清洗数次后，将石墨烯和SnCl₂的混合液体中加入氯化钯(PdCl₂)的盐酸溶液(PH≈3.0)，混合搅拌5分钟。去离子水清洗数次后离心收集，得到氧化石墨烯负载介孔Pd颗粒(Pd/GO)，其中氧化石墨烯：SnCl₂：PdCl₂的质量比优选为9：16：2。