[发明专利]一种燃料电池用Pt-Co/C-单层石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化学合成领域，涉及一种石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)，是一种源自石墨材料具有单层或多层碳原子结构的二维结构新型材料，其由排列成正六边形结构的碳原子结构组成。石墨烯作为21世纪的一种特殊的材料，而单层结构的石墨烯厚度只有0.335nm，是目前世界上发现最薄的材料。相对于其他碳基载体，完美结构的单层石墨烯具有更大的理论比表面积(约为2630m²g^-1)和更好的电子传导能力(约为2×105cm²V^-1s^-1)，能广泛应用于电子、化学、机械等领域。最近的研究进展表明石墨烯基材料对电子和光电子设备、化学传感器、纳米复合材料和能量的储存都有很深远的影响(Virendra S, Daeha J, Lei Z, et al. Graphene based materials: Past, present and future[J]. Progress in Materials Science, 2011, 56(8): 1178-1271.)。

众所周知，Pt基纳米催化剂是最常见的燃料电池催化剂，其中铂粒子通常是负载在炭黑、石墨纳米纤维、碳纳米管等载体上。近年来，由于石墨烯作为催化剂载体而表现出来的独特而卓越的物理化学性能，从而引起了人们极大的兴趣。

但由于贵金属Pt的价格昂贵且资源稀缺，阻碍了燃料电池的工业生产。目前，燃料电池催化剂的研究主要集中在催化剂的载体和复合催化剂上。为了降低贵金属Pt的用量，人们尝试将Pt与其他过渡金属(如：Fe、Co、Ni、Cr、Cu等)形成合金是一种有效的降低贵金属用量、提高催化剂活性的方法。其中，由于Pt-Co合金容易制得，使其成为最常用的Pt-M合金。在负载型贵金属基催化剂中，载体起着至关重要的作用。一般适用于燃料电池催化剂的载体应具备如下几个方面的条件：(l)具有良好的导电性能，及时导入电极反应需要的电子，导出电极反应产生的电子；(2)结构合理，稳定；(3)具有较大的比表面积，以降低贵金属的使用量和增大催化剂的分散度；(4)抗腐蚀能力良好，能承受住电解质对其产生腐蚀破坏作用（蒋全通. 石墨烯基燃料电池催化剂的制备、表征及性能研究[D]. 青岛：青岛科技大学，2011.）。碳基载体，如：碳黑、乙炔黑、碳纳米管等，其中碳纳米管因其具有良好的传输电子能力及结构稳定性成为燃料电池催化剂载体的理想选择，但石墨烯生产成本更低，且性能更优异，已成为目前研究的热点。

发明内容

为提高催化剂的催化活性，在石墨烯上负载合金的同时往往很难制备具有单层结构的石墨烯。理论上复合载体相对于单一载体来说能增加更多的吸附位点，增大比表面积。将XC-72与二维石墨烯结合，能增加更多的吸附孔道。本发明通过选用活性炭XC-72辅助来制备单层石墨烯催化剂载体，来达到提高催化剂活性的目的，进而提供一种能制备出负载型的单层石墨烯催化剂，而且工艺简单、益于批量生产，基于化学剥离法制备燃料电池用Pt-Co/C-单层石墨烯的方法。

本发明按照如下步骤制备燃料电池用Pt-Co/C-单层石墨烯：

（1）氧化石墨的制备。以天然鳞片石墨为原料，用Hummers方法将其氧化得到氧化石墨。本方法基于Hummers方法做了如下改进：将过硫酸钾和五氧化二磷各2.5g加入到25mL浓硫酸烧瓶中，油浴40-180℃下搅拌回流待其溶解后，缓慢加入1.0-5g石墨粉，搅拌反应加热2-10h，对天然鳞片石墨进行预处理，过滤水洗至中性后得到处理过的石墨；将处理过的石墨，放入50-200g浓硫酸中在冰浴中搅拌均匀，缓慢加入8-30gKMnO₄后在冰浴中搅拌1-10h；转入35±3℃的油浴锅中，搅拌20-120min，然后将100-300mL蒸馏水缓慢滴加到上述混合物中；待混合物凉至室温，取出放入2-5L大烧杯中，加入500-1500mL蒸馏水和5-60mLH₂O₂，继续搅拌到没有气泡产生，混合液由紫黑色变为金黄色；静置5-48h，弃去上清液，混合物用体积比为0.1-2:10的HCl和水反复离心洗涤，得到褐色的胶状物质；胶状物质在30-80℃下真空干燥，研磨得到黑褐色固体，即氧化石墨。