[发明专利]六元瓜环、还原石墨烯及聚吡咯制备的催化剂及其应用

说明书

本发明公开了一种六元瓜环、还原石墨烯及聚吡咯制备的催化剂及其应用，具体是在电催化析氧反应中的应用。本发明具有所得电极催化剂具有过电位低、稳定性好、合成简单、操作方便、无需特殊的设备、耗时短、成本低、无金属污染并可大规模生产的优点，该电极催化剂用于电催化析氧反应中可实现高效廉价制氢。同时本发明还开发了一类新型无金属离子参与的有机/无机复合纳米能源材料。

技术领域

本发明涉及电化学催化领域，特别是一种瓜环类大环化合物和还原石墨烯以及聚吡咯制备的催化剂及其应用。

背景技术

在清洁可再生的绿色替代能源中，氢能备受关注。电分解水分解法制氢是获得高纯度氢气，实现大规模制氢并用于未来应用的最有效的途径。析氧反应(oxygen evolutionreaction OER)是电化学能量转换和储存装置(如氢燃料生产,水电解和可充电金属空气电池)中水分解的关键半电池反应。所以电催化析氧反应成为目前清洁能源以及能源存储等领域的前沿研究热点。在OER反应中十分重要的环节就是其催化剂的活性和稳定性。然而在碱性溶液中,OER反应不具有动力学上的优势,一般需要通过使用贵金属来降低过电位,但贵金属催化剂的高成本和稀缺性限制了其使用。因此,开发高效、廉价、地球资源丰富、稳定、低过电位运行的水分解电催化剂是实现高效、廉价制氢的关键，也是今后的工作重点。

聚吡咯(PPy)因其共轭结构可提高催化剂的导电性，使得电解质与催化剂界面处电子转移速率提高，加快催化反应动力学。

还原石墨烯(rGO)因其具有比表面积大、导电性好、稳定性高等优势，被广泛应用于电催化水分解研究中。但目前为止，石墨烯材料还仅仅作为催化剂的载体使用，通过助催化剂的负载或者杂原子掺杂等途径提升催化能力。石墨烯本身作为催化剂实现电催化水分解的相关报道较少。

六元瓜环(Q[6])是一种具有刚性环状结构的大分子，有两个相同的入口，中间排列着12个带负电荷的羰基，不溶于常见的溶剂并且具有良好的化学稳定性。

然而，目前并没有将聚吡咯、还原石墨烯和六元瓜环相结合应用于电催化析氧反应的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种六元瓜环、还原石墨烯及聚吡咯制备的催化剂及其应用。本发明具有所得催化剂是一种电极催化剂，其具有过电位低、稳定性好、合成简单、操作方便、无需特殊的设备、耗时短、成本低、无金属污染并可大规模生产的优点，该电极催化剂用于电催化析氧反应中可实现高效廉价制氢。同时本发明还开发了一类新型无金属离子参与的有机/无机复合纳米能源材料。

本发明的技术方案：一种六元瓜环、还原石墨烯及聚吡咯制备的催化剂，所述瓜环类大环化合物的化学式为：(C₆H₆N₄O₂)₆，其结构式为：

所述催化剂的制备方法包括：

(1)配制聚吡咯分散液；

(2)配制还原石墨烯分散液；

(3)配制六元瓜环分散液；

(4)用Al₂O₃抛光粉打磨玻碳电极、清洗、晾干，将聚吡咯分散液、石墨烯分散液、瓜环类大环化合物分散液依次涂在玻碳电极上，即得。

前述的六元瓜环、还原石墨烯及聚吡咯制备的催化剂中，所述步骤(1)是将聚吡咯溶于比例为1:9-4:6的乙醇与水的混合溶液中，配制成浓度为5-10mg/mL的聚吡咯分散液；所述步骤(2)是将石墨烯溶于二甲基亚砜中，配制成浓度为5-10mg/mL的还原石墨烯分散液；所述步骤(3)是将瓜环类大环化合物溶于浓度为0.15-0.25mol/L的NaCl溶液，配制成浓度为5-10mg/mL的六元瓜环分散液。