[发明专利]钴基氧化物负载双掺杂石墨烯催化剂及其制备方法和应用

说明书

钴基氧化物负载双掺杂石墨烯催化剂及其制备方法和应用，涉及负载型催化材料技术领域。其中，前述钴基氧化物负载双掺杂石墨烯催化剂由N,S双掺杂的石墨烯作为载体负载四氧化三钴纳米颗粒构成，其中包含有Co‑S和Co‑N两种配位结构。上述钴基氧化物负载双掺杂石墨烯催化剂具有非常优异的一氧化碳氧化催化性能，在汽车尾气处理、传感器、石油化工等领域会有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及负载型催化材料技术领域，尤其涉及一种钴基氧化物负载双掺杂石墨烯催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯是由sp2杂化碳原子构成的一种具有蜂窝状六方点阵结构的二维纳米材料，独特的结构使其具有优异的热学、机械和电学等性能，但本征石墨烯在电子领域的应用受限于它的零带隙特性，获得带隙在一定范围内可调节石墨烯显得尤为重要。为了打开石墨烯的带隙，人们探索了许多方法，比如剪裁石墨成量子点、纳米带、纳米网格或者把石墨烯铺到特殊的衬底上，其中一个最可行的方法就是通过掺杂来调控石墨烯的物理化学性质。

CO氧化反应是空气污染控制的重要反应，尤其是在汽车尾气处理方面。在石油化工中，催化剂氧化再生过程中涉及CO的催化氧化，为防止后续工艺中CO燃烧损毁设备，要求在烧焦过程中使CO完全氧化。另外，在能源冶金行业中，井下气体中也含有一定量的CO，为此需要专门设计能吸附CO的防毒面具。因此，若能开发高效的CO氧化催化剂将具有巨大发展潜力和前景。

发明内容

本发明的目的之一提供一种对CO具有高效氧化催化性能的催化剂。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种钴基氧化物负载双掺杂石墨烯催化剂，由N, S双掺杂的石墨烯作为载体负载四氧化三钴纳米颗粒构成，并包含有Co-S和Co-N两种配位结构。

另外，本发明还涉及制备上述钴基氧化物负载双掺杂石墨烯催化剂的方法，其包括以下步骤：

将氮掺杂的石墨烯放入氯磺酸溶液中浸泡1-2h，将所得反应液进行离心、冷冻干燥，得到双掺杂石墨烯载体；

配置钴盐溶液，将双掺杂石墨烯加入其中，在140-180℃条件下进行溶剂热反应，反应时间6-8h，离心、冷冻干燥后在氮气保护下煅烧，得到所述钴基氧化物负载双掺杂石墨烯催化剂。

除上述步骤之外，还可以包括制备氮掺杂的石墨烯的步骤：将氧化石墨烯加入乙酸铵溶液中，分散均匀，在60-80℃下进行回流反应2-3h，将所得反应液进行离心、冷冻干燥，得到氮掺杂的石墨烯。

其中，所述钴盐溶液浓度为0.15-0.30 g/L。

其中，所述的钴盐为乙酸钴、乙酰丙酮钴中的一种。

其中，所述氯磺酸溶液的浓度为0.4-0.5 mol/L。

其中，所述乙酸铵的浓度为0.2-0.3 mol/L、溶剂为异丙醇或丙三醇。

优选地，所述溶剂热反应中双掺杂石墨烯载体与钴盐的质量比为（0.5-1）：（0.15-0.3）。

进一步地，前述在氮气保护下煅烧的温度为200-400℃，煅烧时间为1-2h。

最后，本发明还涉及上述钴基氧化物负载双掺杂石墨烯催化剂作为一氧化碳氧化催化剂的应用。

本发明将N原子和S原子分别作为电子给体和受体以替代的方式掺杂石墨烯，并创造性地将N, S双掺杂的石墨烯作为载体负载四氧化三钴纳米颗粒，产生两种独特的配位结构，分别为Co-S和Co-N，使得电子转移速率得到了飞跃性的提升，性能远胜于以单独N, S掺杂石墨烯为载体的方案。本发明所制备的钴基氧化物负载双掺杂石墨烯催化剂具有非常优异的催化性能，在汽车尾气处理、传感器、石油化工等领域会有广泛的应用前景。

附图说明