[发明专利]一种阳离子聚合物功能化石墨烯负载铂纳米复合物的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种由阳离子聚合物功能化石墨烯负载铂纳米复合物的制备方法，属于催化剂技术领域。

技术背景

    低温燃料电池作为一种新型的能源装置，具有燃料利用效率高、无污染等多种优点，受到人们极大的关注，已成世界各国竞相研究的热点。目前低温燃料电池所用催化剂的有效成分仍以铂为主。铂的资源有限性、高成本、易被毒化的特点，极大限制了低温燃料电池的商业化进程。研制新型电催化剂、降低贵金属用量并提高电催化剂的性能显得尤为重要。载体影响贵金属的分散、物料的传输，催化剂的抗毒化性能和稳定性，尤其是载体对贵金属的助催化作用极大的影响催化剂的性能。

    石墨烯是由sp²杂化碳原子组成的具有单原子厚度的蜂窝状二维纳米材料，其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的物理性质，具有突出的导热性能和力学性能，以及室温下高速的电子迁移率。由于其优良的导电性，石墨烯是电催化材料理想的载体。目前用石墨烯作为催化材料的载体越来越为人们所关注，Hung HuaJie等人（Graphene nanoplate-Pt composite as a high performance electrocatalyst for direct methanol fuel cells. J Power Sources 2012;204:46-52）成功的将铂纳米粒子负载在石墨烯上，并且这种铂/石墨烯的复合材料拥有良好的催化性能，可以很好的应用在甲醇燃料电池中，但是因为过度氧化获得的氧化石墨烯表面的含氧基团在还原制备金属纳米粒子的同时也被还原，使得石墨烯表面又变得具有石墨的惰性及光滑性，因此直接在石墨烯表面获得较高密度及较稳定负载的铂纳米颗粒是十分困难的，所以目前被用来作为纳米颗粒的载体也受到限制。为此，许多研究者尝试对石墨烯进行改性，通过对其功能化，制备出修饰后的石墨烯纳米材料，可最大程度上保留石墨烯本征属性，并通过功能化引入其它一些有意义的基团来减少石墨烯层与层之间的团聚增大其活性面积（Qu K-G, Wu L, Ren J-S, Qu X-G. Natural DNA-Modified Graphene/Pd Nanoparticles as Highly Active Catalyst for Formic Acid Electro-Oxidation and for the Suzuki Reaction. ACS Appl Mater Interfaces 2012; 4: 5001-9；Liu Y-J, Huang Y-Q, Xie Y, Yang Z-H, Huang H-L, Zhou Q-Y. Preparation of highly dispersed CuPt nanoparticles on ionic-liquid-assisted graphene sheets for direct methanol fuel cell. Chem Eng J2012;197:80-7；Jae Y-P, Seok K. Preparation and electroactivity of polymer functionalized graphene oxide-supported platinum nanoparticles catalysts. Inter J Hydrogen energy 2013; 38: 6275–82.）。

阳离子聚合物作为一种水溶性阳离子聚合物，具有正电荷密度高、水溶性好、分子量易于控制、高效无毒、造价低廉等优点，特别是它可在各种pH条件下制成的化合物均具有优良的抗盐、抗碱性能，因而具有极强的极性和对阴离子性物质的亲和力。因此被广泛应用于石油开采、造纸、采矿、纺织印染、日用化工以及水处理等领域，成为当代化学界的一大研究热点。

本发明的优点是：本发明是利用阳离子聚合物修饰的石墨烯表面均匀分布的正电荷，将带负电荷的氯铂酸根离子（PtCl₆^2-）通过静电吸附作用，均匀吸附分布在石墨烯的表面。在多元醇微波条件下直接还原PtCl₆^2-，从而实现石墨烯表面原位生成铂纳米粒子（Pt NPs）。克服了上述的石墨烯上直接沉积的铂（Pt）金属颗粒很容易团聚这一技术难题，实现了Pt NPs 较高的负载率，并且粒径均匀、大小可控，大幅度提高了Pt 催化剂的利用率和催化性能。本发明所制得的产品不仅可用于直接甲醇燃料电池阴、阳极催化剂，还可以明显提高石墨烯纳米复合物的稳定性和电催化活性。

发明内容