[发明专利]表面包覆石墨烯的二氧化硅负载金属纳米颗粒复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种表面包覆石墨烯的二氧化硅负载金属纳米颗粒复合材料及其制备方法与应用。本发明的复合材料包括：二氧化硅球形载体，负载于二氧化硅球形载体上的金属纳米颗粒，以及包覆在负载有金属纳米颗粒的二氧化硅球形载体表面的还原氧化石墨烯层。该复合材料可以用于作为催化剂制备燃料电池。本发明的复合材料中的还原氧化石墨烯层具有良好的导电性，很好地解决了由于载体二氧化硅颗粒是绝缘体，阻碍燃料电池催化剂活性组分附近电子的传输，影响催化活性的问题；此外本发明的制备方法简单易行，制备过程中没有加入表面活性剂，制备得到的复合材料中金属纳米颗粒分散均匀，极大地提高了复合材料的催化活性。

技术领域

本发明涉及一种表面包覆石墨烯的二氧化硅负载金属纳米颗粒复合材料及其制备方法与应用，属于纳米材料与催化化学技术领域。

背景技术

燃料电池，例如直接甲醇型燃料电池(即甲醇氧化燃料电池)，具有能量密度高，室温下为液体便于储运等优点，有良好的研究前景。构成燃料电池的关键材料和部件包括：电极、隔膜和集流板(或称双极板)。电极是燃料(如甲醇)氧化和氧化剂(如空气)还原的电化学反应发生的场所。电极厚度一般为0.2-0.5mm。它通常分为两层；一层为扩散层或称支撑层，它由导电多孔材料制备，起到支撑催化剂层、收集电流与传导气体与反应物(如水)的作用；另一层为催化剂层，它由电催化剂和防水剂(如聚四氟乙烯)等制备，其厚度仅为几微米至数十微米。高活性的催化剂的开发对燃料电池的发展是十分必要的。

纳米材料由于具有独特的物理性能和特定的化学性能，例如，体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应和界面效应等，近年来被视为国际上前沿研究领域，引起了世界各国材料学者和催化学者的极大关注与重视，已成为材料学科与新颖交叉学科的研究热点。纳米材料有巨大的比表面积，暴露出更多的缺陷位，可望制得高活性和高选择性的纳米催化剂。因此，纳米催化及应用研究已成为催化化学的研究热点。纳米微粒的制备技术研究是纳米材料性能研究和应用的重要基础。

金属纳米颗粒由于粒度小，表面能高而容易团聚，导致催化活性降低。为解决这一问题，可以把高活性的金属纳米颗粒负载到载体上，通过与载体的相互作用来抑制纳米颗粒的聚集失活。二氧化硅颗粒的形状为规则的球形，可以提供大量的催化活性位点，而且活性金属组分在其表面的分散程度比在无定型载体如硅胶、高分子聚合物、炭黑等表面的分散程度更好，因此二氧化硅成为了一种作为负载型催化剂的优良载体。但由于二氧化硅颗粒是绝缘体，会阻碍燃料电池活性组分附近电子的传输，影响催化活性。

石墨烯(G)是一种单层碳原子二维材料，具有六方蜂窝状晶格结构，基本结构单元是苯六元环，是构建零维富勒烯、一维碳纳米管和三维石墨等其他碳材料的基本单元。氧化石墨烯(GO)是石墨烯的氧化物，在碳骨架表面和边缘存在大量活性含氧官能团，包括环氧基，羟基和羧基等。氧化石墨烯和石墨烯具有优异的光学、热力学、力学和电学性能，在纳米电子器件、能量储存、催化剂载体以及生物材料领域表现出优越的应用前景。若能将石墨烯材料与二氧化硅负载的金属纳米颗粒催化剂相结合，以改善由于二氧化硅颗粒是绝缘体影响催化活性的问题，那么将在纳米材料及催化化学领域取得重大突破。

发明内容

本发明的目的在于提供一种表面包覆石墨烯的二氧化硅负载金属纳米颗粒复合材料及其制备方法与应用。本发明制备的复合材料在负载有金属纳米颗粒的二氧化硅颗粒表面包覆有还原氧化石墨烯(在本发明中也称为石墨烯)，由于还原氧化石墨烯的良好导电性，使复合材料具有较高催化活性。

为达到上述目的，本发明提供了一种表面包覆石墨烯的二氧化硅负载金属纳米颗粒复合材料，其包括：二氧化硅球形载体，负载于二氧化硅球形载体上的金属纳米颗粒，以及包覆在负载有金属纳米颗粒的二氧化硅球形载体表面的还原氧化石墨烯层。