[发明专利]氮掺杂轴向碳纤维/石墨烯负载钴的纳米电催化剂的制备方法及产品和应用

说明书

本发明提供了一种氮掺杂轴向碳纤维/石墨烯负载钴的纳米电催化剂的制备方法及产品和应用，本发明以纤维素和氮源为原料，高温原位碳化形成石墨烯纤维轴向复合氮掺杂石墨烯片层结构，同时负载Co纳米颗粒得到Mott‑Schottky型异质结。该方法具有工艺简单，易于控制，绿色安全，并且可以实现宏量制备。本发明所制备的氮掺杂轴向碳纤维/石墨烯负载钴的纳米电催化剂具有较高的催化活性，在不同的扫描速率下均显示出较高的电催化产氢速率。

技术领域

本发明涉及析氢催化剂及制备技术领域，特别涉及一种氮掺杂轴向碳纤维/石墨烯负载钴的纳米电催化剂的制备方法及产品和应用。

背景技术

化石能源的日渐枯竭以及环境污染问题的越来越严重是威胁着人类生存与发展的重大问题，寻找和发展可替代化石能源的绿色可再生能源已经是目前国内外研究的重点。H₂ 能源燃烧产物仅为水，不产生任何污染，其原子利用率为100 %，所以 H₂ 作为一种清洁高效的能源一直是科学研究所追求的。利用电能电解水产氢的方法是一种制备H₂ 能源的有效途径，目前已经商业化的催化剂为Pt/C催化剂，但贵金属价格相对昂贵、资源有限，且这种催化剂的循环性有待改善，因此寻求替代商业Pt/C催化剂的非贵金属（非金属）催化剂则成为这一领域的突破口。

石墨烯是由碳六元环组成具有周期性的二维结构，是构建零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨的基本组成单元。通过对石墨烯的掺杂，可以有效调节其结构和费米能级，使掺杂后的石墨烯表现出与石墨烯迥异的性能。

在石墨烯晶格中引入氮原子后，得到氮掺杂石墨烯，但是N原子会影响C原子的自选密度和电荷分布，导致石墨烯表面产生“活性位点”，这些位点可以直接参与催化反应。然而，N原子掺杂在单层石墨烯中，其费米能级移动到狄拉克点之上，导带和价带之间的带隙被打开，这势必会影响其原本的准金属特性即高效的电子传输性能。

但是，氮掺杂石墨烯自身是柔性的结构，极易层层团聚形成石墨化结构，这样会导致石墨烯片层的内部活性位点掩埋，造成催化活性位点成倍下降。

发明内容

为了阻止柔性的氮掺杂石墨烯团聚，本发明目的在于提供一种氮掺杂轴向碳纤维/石墨烯负载钴的纳米电催化剂的制备方法。

本发明的再一目的在于：提供一种上述方法制备的氮掺杂轴向碳纤维/石墨烯负载钴的纳米电催化剂产品。

本发明的又一目的在于：提供一种上述产品的应用。

本发明目的通过下述方案实现：一种氮掺杂轴向碳纤维/石墨烯负载钴的纳米电催化剂的制备方法，其特征在于以纤维素和氮源为原料，高温原位碳化形成石墨烯纤维轴向复合氮掺杂石墨烯片层结构，同时负载Co纳米颗粒得到Mott-Schottky型异质结，包括下述步骤：

步骤一，碳纤维与氮掺杂石墨烯轴向复合纳米材料的制备：

以纤维素细菌纤维素和尿素、三聚氰胺为氮源，将细菌纤维素和尿素、三聚氰胺按质量比1：20：20 混合，然后置于氮气的保护下煅烧，控制煅烧温度范围为700～1200 ℃，最后自然冷却降温即得到碳纤维与氮掺杂石墨烯轴向复合纳米材料；

步骤二，碳纤维/氮掺杂石墨烯轴向复合材料负载钴电催化剂的制备：

将所得的碳纤维与氮掺杂石墨烯轴向复合纳米粉末加入到去离子水中，超声分散0.5h；接着加入钴盐前驱物搅拌分散均匀，将溶液移入水热反应釜中密封反应釜，于140℃下水热4 h；待水热反应结束后，滴加还原剂并用氨水调节溶液pH值至10，再次密封反应釜，于110~180℃下水热还原反应24 h；最后冷却至室温后离心分离，反复水洗，60℃温度下真空干燥2 h，即得到碳纤维/氮掺杂石墨烯轴向复合材料负载钴的催化剂，即Co@N-graphene/C轴向复合电催化剂。