[发明专利]一种具备高效电催化氧还原性能的CuO/rGO复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种具备高效电催化氧还原性能的CuO/rGO复合材料，属于电催化材料技术领域。

背景技术

当今社会正处于快速发展阶段，人们的生活水平日渐提高，但也有许多困扰随之而来，例如能源问题、环境问题，这些都是目前人类面临的需要解决的问题。现今世界掌握能源就是掌握发展的最大武器，然而我国的资源有限，并不能满足人们对资源无限需要，尤其是对化石燃料的依赖导致了石化能源的过度开发、国家储量日益枯竭，引起了环境污染等一系列问题。电池是一种清洁安全、高效、无污染的能源，在一定程度上可以替代化石燃料。1839年英国的Grove发明了燃料电池，经过发展研究，燃料电池近五年在科研以及商业应用上突飞猛进。我国燃料电池的研究开始于1958年，70年代开始进入燃料电池研究的高峰，到21世纪我国燃料电池的研发有了长远的进步。虽然近几年在燃料电池方面发展迅速，但相较于国际发达国家，我国的燃料电池研究还相对落后。在北美、日本和欧洲等国，燃料电池发电正快速步入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。与阀控铅酸蓄电池、可充电镍镉电池和镍氢电池等相比，燃料电池能量转化效率高，直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。它可以以化学能的方式将电能进行储存与转移，运用到当今社会的许多领域；既可应用于军事、发电厂领域，也可应用于机动车、移动设备、居民家庭等领域。

对于碱性燃料电池来说，阴极材料的氧还原性能是制约其发展的关键技术。总体来说电化学氧还原反应因为电极材料、表面性质及溶液pH值得不同，反应机理也不同，一般可分为二电子反应、直接四电子反应、以及两步二电子(2+2)反应过程，因为四电子反应过程能得到更多的电能而被认作理想的氧还原途径。通常，将Pt单质负载在碳材料上制备的Pt/C催化剂是最常用的电催化材料，用作载体的碳材料一般有普通炭黑、Vulan XC-72 炭黑、纳米碳管和多壁纳米碳管等。但是由于碳材料容易被腐蚀，导致附着在上面的贵金属从电极表面脱落或者团聚成大颗粒，从而造成催化材料催化性能及稳定性的下降。因此非常有必要寻找在燃料电池工作条件下，性能稳定的非碳载体取代催化剂中常用的碳载体材料，以提高燃料电池的耐久性。

2015年，本案发明人研究制备出了TiO2/rGO复合材料及掺杂有N、F的TiO2/rGO复合材料。实验证明，掺杂有N、F的TiO2/rGO复合材料在碱性溶液中具备电催化氧还原反应性能，可以作为氧还原反应催化剂；而TiO2/rGO复合材料在碱性溶液中不具备电催化氧还原反应性能，不能作为氧还原反应催化剂。虽然，相对于Pt/C催化剂，掺杂有N、F的TiO2/rGO复合材料的催化性能及稳定性明显提高；成本也显著降低，可以作为Pt/C催化剂的替代材料之一。但现阶段，关于Pt/C催化剂替代材料的研究还有很大的空间，很多价格低廉、潜能巨大的材料仍然未被发掘。

发明内容

本发明的目的在于提供一种价格相对较低的氧还原反应催化剂。

实验研究发现，虽然没有掺杂N、F的TiO₂/rGO复合材料不具备电催化氧还原反应性能，不能作为氧还原反应催化剂；但是，没有掺杂N、F的CuO/rGO复合材料具备电催化氧还原反应性能，能作为氧还原反应催化剂。

技术方案

一种CuO/rGO复合材料，纳米CuO颗粒附着在还原氧化石墨烯片层上，纳米CuO与rGO的质量比为100：3-5；

纳米CuO颗粒的尺寸为6-10nm；

还原氧化石墨烯片为单片层；

具备电催化氧还原性能；或者说，是一种氧还原反应催化剂。

本发明的CuO/rGO复合材料，经过SEM测试表明，纳米氧化铜颗粒均匀的附着在还原氧化石墨烯的表面。

循环伏安法(CV)结果表明，本发明的CuO/rGO复合材料在氧气饱和的0.1 M KOH溶液中，电催化氧还原的起始氧化电位在-0.2 V左右，最大氧还原电流可达到10^-5 mA/cm²的数量级；具备高效电催化氧还原性能。

时间电流法测试表明，经过16000s的电化学测试后，本发明的CuO/rGO复合材料的电流密度仍高达开始时的90%左右，具有非常好的电化学稳定性，而相同实验条件下商业Pt(20%)/C仅为开始时的74%左右。