[发明专利]铁基催化剂修饰三维石墨烯限域的高容量储氢材料的方法

说明书

本发明提供了一种铁基催化剂修饰三维石墨烯限域的高容量储氢材料的方法，包含以下步骤：将硝酸铁或添加部分其它金属硝酸盐和聚乙烯吡咯烷酮分别溶解在去离子水中配成混合溶液，并置于鼓风干燥箱中完全干燥，随后研磨成粉末；将研磨得到的粉体转移至管式炉中进行一次预烧或二次热处理，得到黑色泡沫状产物即为铁基催化剂修饰三维多孔氮掺杂石墨烯复合材料；将铁基催化剂修饰三维多孔氮掺杂石墨烯和储氢合金复合，得到铁基催化剂修饰三维石墨烯限域的高容量储氢材料。本发明能够通过控制反应条件制备出一系列铁基催化剂修饰三维石墨烯限域的高容量储氢材料，方法新颖，生产周期短，成本低，可重复性强且可大规模制备，在储氢领域具有良好的工业化前景。

技术领域

本发明属于功能纳米材料领域，具体涉及一种铁基催化剂修饰三维石墨烯限域的高容量储氢材料的规模化制备方法。

背景技术

氢能因其本身具有燃烧热值高、低碳环保、资源丰富等优势而被认为是本世纪最有希望替代传统化石燃料的清洁能源之一。在氢能经济发展过程中，储氢技术是制约其商业化的主要因素之一，而固态储氢材料有望解决这一难题。根据国际能源协会对未来储氢材料的要求，高的储氢容量和温和的吸放氢温度是一个合格储氢材料的必备条件。

近年来，为了提高储氢材料的容量和改善吸放氢性能，在储氢材料中添加纳米碳材料(碳纳米管、活性炭、石墨烯等)成为研究热点。石墨烯作为一种新型的纳米碳材料，具有高的比表面积和孔隙率、高导热率及高的电子迁移率等优势。因此，石墨烯与储氢材料复合，一方面可以通过纳米限域作用，解决传统储氢材料在吸放氢过程中易发生晶粒长大和纳米颗粒团聚的问题，维持储氢材料的的结构稳定性，从而改善材料的吸放氢性能。其次，在储氢材料中掺杂石墨烯后，可以利用材料和石墨烯的纳米孔的协同作用促进反应的进行，且氢气可以很好的负载在石墨烯上，为吸放氢反应提供一个独特的环境，提高材料的储氢容量。

由于普通石墨烯与氢气的结合能较高，导致氢气在石墨烯上的吸附比较困难，从而影响氢气的吸收和释放，致使材料的储氢容量下降。因此，通过对石墨烯的结构进行适当的改性处理，可以更好的提高储氢材料的性能。铁基催化剂修饰石墨烯上研究结果显示，铁的小颗粒可以团聚在石墨烯表面并形成铁原子簇。在吸氢过程中，大量氢气可以吸附在铁原子簇表面，而放氢过程也时在铁原子簇表面进行反应，随后通过石墨烯放出。因此，铁基催化剂修饰石墨烯，可以提高石墨烯吸附氢分子的能力，从而对储氢材料的吸放氢过程以及循环性能有极其显著的改善作用。经文献调研，未见铁基催化剂修饰三维石墨烯限域的高容量储氢材料的报道。

发明内容

本发明提供了一种铁基催化剂修饰三维石墨烯限域的高容量储氢材料的方法。

一种铁基催化剂修饰三维石墨烯限域的高容量储氢材料，其特征在于包括如下步骤：

1)将硝酸铁或者添加部分其它金属硝酸盐和聚乙烯吡咯烷酮分别溶解在去离子水中配成混合溶液，并置于鼓风干燥箱中完全干燥，随后研磨成粉末；

2)将研磨得到的粉体转移至管式炉中进行一次预烧或二次热处理，得到黑色泡沫状产物即为铁基催化剂修饰三维多孔氮掺杂石墨烯复合材料；

3)将铁基催化剂修饰三维多孔氮掺杂石墨烯和储氢合金复合，得到铁基催化剂修饰三维石墨烯限域的高容量储氢材料。

进一步地，所述步骤1中硝酸铁为九水硝酸铁，其它金属硝酸盐为硝酸钴、硝酸镍、硝酸铝、硝酸镁、硝酸锰、硝酸铬等，其中九水硝酸铁、其他金属硝酸盐和聚乙烯吡咯烷酮质量比为(0.8～1.5)：(0.1～0.5)：1，干燥温度为70～100℃，干燥时间为2～8h。

进一步地，所述步骤2中预烧气氛为氮气或者氩气，预烧温度为650～850℃，保温时间为1.5～4.5h；二次热处理气氛为空气、氮气或者氩气，热处理温度为200～900℃，保温时间为1～6h。