[发明专利]石墨烯-二维贵金属原子层复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在石墨烯表面上沉积二维贵金属原子的制备方法，本方法制备的石墨烯-二维PtRu复合材料对甲醇氧化反应具有超高的催化活性。属于炭材料技术领域。

背景技术

近年来，石墨烯-金属纳米粒子复合材料的研究在材料及相关学科领域得到了广泛关注，因为这类石墨烯复合材料在能源储存、燃料电池催化剂、传感器等方面具有重要的潜在用途。贵金属Pt及其合金对甲醇氧化、氢离子氧还原反应具有良好的催化活性，是现今发现的直接甲醇燃料电池阳极和质子膜燃料电池阴极催化剂催化活性最高的材料。为了更好地发挥贵金属的催化活性，一般需要将其沉积、分散在炭材料等支撑材料上。

石墨烯具有独特的结构和优异的物理、化学性能，如巨大的比表面积、优良的热导率、高的电子迁移速率及良好的化学稳定性，被认为是一种理想的贵金属的载体支撑材料，两者间的复合可望进一步提高材料的催化活性。近三、四年，国内外多个课题组成功地开发出了石墨烯-贵金属纳米粒子复合材料，如日本Honma课题组得到石墨烯-Pt复合材料，该材料不仅显示出了非常高的氧化甲醇的能力，而且还具有优异的耐CO中毒性能（E. Yoo, T. Okata, T. Akita, et al. Enhanced electrocatalytic activity of Pt subnanoclusters on graphene nanosheets surface. Nano Lett., 2009, 9: 2255-2259）；美国Lifeng Dong课题组（L. Dong, R. R. S. Gary, Z. Li, et al. Graphene-supported platinum and platinum–ruthenium nanoparticles with high electrocatalytic activity for methanol and ethanol oxidation. Carbon, 2010, 48: 781-787）和南京大学刘建国课题组（Y. C. Xin, J. G. Liu, Y. Zhou, et al. Preparation and characterization of Pt supported on graphene with enhanced electrocatalytic activity in fuel cell. J. Power Sources, 2011, 196: 1012-1018） 等都成功地合成该类石墨烯复合材料。

以上研究制备出的石墨烯-三维Pt纳米粒子复合材料显示出了良好的催化性能，其催化活性比商业炭黑基复合材料要高50~300%左右，研究发现复合材料性能的大幅提高除了石墨烯优异的性能外，更重要的原因在于石墨烯与Pt原子间存在电子耦合的缘故（S. Sharma, B. Pollet. Support materials for PEMFC and DMFC electrocatalysts-A review. J. Power Source, 2012, 208: 96-119）。石墨烯与贵金属粒子存在的耦合作用，改变了贵金属原子的外层电子结构，致使其外层电子部分电荷流向了石墨烯基体，因而提高了Pt的催化活性。由于各制备方法的不同，合成的贵金属粒子形貌存在差异等原因，因而导致贵金属外层电荷流向石墨烯基体的程度即两者间的电子耦合作用存在差异，因而使最终的石墨烯复合材料的催化活性也存在较大的差异（其活性提高幅度在50~300%（同商业炭黑基相比））。