[发明专利]一种铂/钴酸锰纳米晶/氮掺杂石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法

说明书

本发明提供了一种铂/钴酸锰纳米晶/氮掺杂石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，涉及电极催化剂领域，以二维的单层或少层的氧化石墨烯纳米片分散液，加入钴盐、锰盐和氨水搅拌均匀制备钴酸锰/石墨烯前驱物溶液，再进行水热处理得到凝胶状产物，透析水洗和冷冻干燥得到三维钴酸锰纳米晶/氮掺杂石墨烯，之后与铂盐进行水热反应，离心水洗冻干得到铂/钴酸锰纳米晶/氮掺杂石墨烯三维复合电极催化剂。本发明将铂、钴酸锰与氮掺杂石墨烯进行复合，既能够协同发挥钴酸锰和铂的电催化性能，又能够充分的利用石墨烯的自支撑作用，所制备的三维复合催化剂比表面积大，活性位点多，循环稳定性好，催化性能优异。

技术领域

本发明涉及一种电极催化剂的制备方法，具体地，涉及一种铂/钴酸锰纳米晶/氮掺杂石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法。

背景技术

面对日益加剧的能源危机和环境污染，环保和节能减排已成为当今社会面临的重要课题。开发利用高效、清洁的能源，对社会的可持续发展具有重要的意义。直接甲醇燃料电池是十分具有应用前景的新能源技术，其推广使用不仅可以有效缓解当前社会经济对于化石燃料的依赖，还能大大降低能源生产和消费过程中对生态环境造成的破坏。大量研究结果表明，贵金属铂对甲醇氧化反应具有很高的催化活性，常常被用来作为新能源技术的电极催化剂材料。然而，铂在自然界中的储量有限，价格高昂，同时在催化过程中还十分容易发生中毒现象而导致活性降低，这在很大程度上制约了铂在催化领域的大规模商业化应用。因此，寻求既有高催化活性、高抗毒性等优异性能且相对廉价的新型复合铂基催化剂，对当今社会的经济发展和环境改善具有重大意义。

石墨烯作为一种新型碳材料，具有大比表面积、高电导率、高机械强度、电化学稳定等优点，可作为理想的导电添加剂。然而，基于石墨烯的催化剂在实际使用过程中其抗毒性及稳定性有待提高，基于石墨烯的催化剂无论在制备还是实际使用过程中都较为容易发生不可逆的团聚、堆叠现象，这会导致部分的反应活性位点被覆盖而降低催化效率，因此很有必要添加一种催化性能优异、电化学性能稳定的材料，增加石墨烯材料暴露的反应活性中心，提高催化效率。近年来，尖晶石结构的过渡双金属氧化物钴酸锰因其资源丰富、成本低、环境友好等优点而被广泛研究。特别地，钴酸锰具有优异的电化学活性和导电性，对甲醇氧化表现出一定的电催化活性。同时，钴酸锰表面吸附的羟基物种有助于促进甲醇氧化过程中中间产物的去除。到目前为止，人们通过将贵金属直接负载于三维氮掺杂石墨烯或利用过渡金属氧化物改性氮掺杂石墨烯来获得活性较高的电极催化剂(ZHOU Y-G,CHEN J-J,WANG F-B, et al.A facile approach to the synthesis of highly electroactivePt nanoparticles on graphene as an anode catalyst for direct methanol fuelcells[J].Chem Commun,2010,46(32):5951.LIANG Y, Li Y,WANG H,et al.Co₃O₄nanocrystals on graphene as a synergistic catalyst for oxygen reductionreaction[J].Nature Materials,2011,10(10):780-6.JIAO J,WEN L Q,WANG Z H,et al.Highly Sensitive Sensor Based on Pt@MnO₂/rGO Nanosheets as a Platform forReal-time Monitoring Cellular ROS and its Application in Diverse Cancers[J].JElectrochem Soc,2020, 167(6):8.)。但上述方法制备的电极催化剂的电化学性能仍有待提高。目前，采用钴酸锰纳米晶、氮掺杂石墨烯构筑三维复合载体并以之负载铂纳米粒子的研究还未有报道。

发明内容