[发明专利]一种三维煤基石墨烯负载铂催化剂的制备方法

说明书

本发明提供一种由煤基石墨制备的三维煤基石墨烯负载铂催化剂（Pt/C‑rGO‑S）的制备方法。该方法以适当的预氧化温度处理的煤基石墨为原料，通过改进的Hummers法在一定的氧化时间下制备了三维煤基氧化石墨烯（C‑GO），再将其作为载体，以氯铂酸为铂源，乙二醇为还原剂，采用溶剂法制备Pt基复合催化剂Pt/C‑rGO‑S。制得的复合催化剂具有良好的甲醇氧化电催化活性、抗一氧化碳中毒性能、稳定性和更快的电荷转移能力，因而在燃料电池领域具有潜在的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种三维煤基石墨烯负载铂催化剂的制备方法。

背景技术

随着社会的发展，化石能源面临着枯竭，寻求新的能源已成为各国科学工作者着手研究的热点。燃料电池作为一种新型的能量转换装置，是继火电、水电、核电之后的发电方式，可以不通过燃烧直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能，即转化方式更为直接。有关甲醇燃料电池阳极催化剂的研究主要集中在贵金属铂（Pt）基催化剂，虽然非贵金属催化剂的使用能够大大降低电池成本，但其催化效率却远远达不到商业化要求，而Pt基催化剂是迄今为止对于甲醇氧化最有效的催化剂，因此Pt基催化剂的研究更具有现实意义。但是Pt基催化剂价格昂贵，且易中毒，为了解决此问题，需要提高催化剂的抗CO中毒性能，并且提高Pt有效利用率。

为了解决上述难题，催化剂的载体是提高催化稳定性和活性的关键。Pt基催化剂的电催化性能依赖于合适的载体，包括介孔碳、碳纤维、石墨烯和比表面积较大的载体等。与商用Pt/C相比，优秀载体负载型Pt基催化剂的催化性能得到很大提高。载体可以为催化剂成分提供固定和担载，对于提高催化剂的活性有着重要作用。石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化组成的二维蜂窝状晶格结构的新型碳纳米材料。由于石墨烯具有极大的比表面积和优异的电学、力学、光学与热学性能，因而在储能元件、复合材料、环境治理等方面具有广泛的应用前景。石墨烯作为载体负载Pt金属时不仅能降低Pt的粒径，而且使Pt的分散性得以提高。因此，用石墨烯作为载体可以有效提高催化剂的甲醇氧化电催化活性。

鉴于石墨烯作为催化剂载体具有诸多优点，若以资源丰富、价格低廉的新疆煤炭为原料，经高温石墨化处理后得到煤基石墨，采用改进的Hummers法制备煤基氧化石墨烯，不仅对煤资源合理利用，而且有望为煤炭的高附加值利用开拓新的途径。因此，制备三维煤基氧化石墨烯（C-GO），将其作为甲醇氧化反应的Pt基催化剂载体，三维结构更有利于Pt纳米粒子的分散和电子与质量的传递，从而促进Pt纳米粒子的成核、生长和锚定，可望有效改善Pt催化剂的催化活性、抗一氧化碳（CO）中毒性能和稳定性，为新型燃料电池催化剂材料的研究、开发和应用提供理论指导、奠定应用基础。

发明内容

一种三维煤基石墨烯负载铂催化剂的制备方法。

本发明涉及一种三维煤基石墨烯负载铂催化剂，其成分为Pt/煤基石墨烯（Pt/C-rGO-S），合成步骤包括以下几步。

(1) 将煤粉在2800℃石墨化的煤基石墨于600℃下预氧化4 h。

(2) 将1.0 g煤基石墨和0.5 g硝酸钠加入三口烧瓶，在冰浴条件下缓慢加入36mL浓硫酸和4 mL浓磷酸并搅拌，在0℃冰浴中搅拌条件下缓慢加入5 g高锰酸钾。

(3) 在35 ℃下搅拌12 h后将其转移至250 mL蒸馏水中，在90 ℃下搅拌1 h，静置冷却后加入30 mL H₂O₂。

(4) 用盐酸:水=1:10（V:V）将上述产物离心多次后分散到300 mL蒸馏水中，将其透析至PH≈7。

(5) 将步骤(4)的混合溶液转移至500 mL长量筒中静置24 h后超声1 h，将产物再次离心分为上层和下层，将上层冷冻干燥48 h，得到煤基氧化石墨烯C-GO。