[发明专利]一种金属复合石墨烯氧还原反应电催化剂材料的制备方法

说明书

本发明属于碳基材料的改性方法技术领域，公开了一种金属复合石墨烯氧还原反应电催化剂材料的制备方法。其主要特征在于利用金属盐与碳源前驱体溶液混合，然后将复合溶液旋涂在基片上，使其厚度均匀，再烘干成膜；之后利用微波等离子体技术对复合膜进行加热处理，最后生长出石墨烯包覆金属纳米颗粒的复合材料，金属颗粒大小均匀，并均匀的分布于复合材料中。该方法操作简单，实验周期短，热处理过程快速，成本低等优点，能够实现多种金属复合石墨烯的制备，为该复合材料在氧还原反应电催化剂领域提供可能。

技术领域

本发明属于碳基材料的改性方法技术领域，涉及到一种金属复合石墨烯氧还原反应电催化剂材料的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由单层sp²杂化碳原子排列在蜂窝晶格中的二维原子晶体，自2004年首次报道以来，因其优异的电子特性而受到了广泛的研究关注。近年来，石墨烯由于其优异的电催化活性、开放的结构、易于功能化、较大的理论比表面积、良好的电导率、优异的机械性能而被证明是一种良好的氧还原反应催化剂。但是，完整的石墨烯没有正电荷密度、缺陷较少，碳与氧气之间难以键合，导致ORR活性较差。

为了获得高活性催化剂，金属、金属氧化物和石墨烯的复合材料引起了广泛关注。利用金属的高活性可以显著的提高石墨烯的催化效果。但是，目前大多采用贵金属与石墨烯的复合，造成成本昂贵，不利于大范围使用。一些研究人员采用双金属碳基复合材料来减少Pt的使用，如Pt-Fe、Pt-Ru、Pt-Pb等。总之，部分取代甚至全部替代Pt金属已在催化剂等领域成为研究热点。研究制备非贵金属复合石墨烯材料作为催化剂具有重要的研究意义。

目前，金属复合石墨烯大多集中在已经制备好的石墨烯表面通过水热法生长金属颗粒。这种方法面临一些问题，例如采用的石墨烯原材料容易发生团聚现象，导致金属颗粒不能充分的与石墨烯接触；金属颗粒大多通过较弱的官能团复合在石墨烯表面，这种结构的稳定性较差，且不利于电子的转移。

针对现有技术存在的缺陷，本发明设计了一种金属-石墨烯的原位复合方法。该方法通过简单的搅拌，将碳前驱体丝蛋白溶液与金属硝酸盐溶液均匀混合，旋涂成膜后烘干，并通过MPCVD直接将其转化为石墨烯-金属纳米颗粒复合材料。所获得的纳米金属颗粒不仅均匀分布于石墨烯薄膜表面，还存在于石墨烯与石墨烯之间，即石墨烯将金属颗粒包覆，有效的提高了复合材料在催化剂领域的催化效果。

发明内容

本发明的目的是提出一种金属复合石墨烯氧还原反应电催化剂材料的制备方法，利用高分子碳前驱体与金属盐混合作为复合前驱体制备一种金属复合石墨烯材料，解决了传统工艺如水热法，电化学沉积等存在的金属颗粒以及石墨烯团聚现象。该方法通过微波等离子技术一步合成复合材料，石墨烯的生长和金属纳米颗粒的生长同步完成，具有较高的创新点和探索价值，并在相关领域如催化剂获得了较好的催化活性。

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：

一种金属复合石墨烯氧还原反应电催化剂材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)制备含碳高分子溶液；

(2)将步骤(1)制备好的溶液与金属盐按照一定的质量分数进行混合，并利用磁力搅拌器或者玻璃棒进行搅拌；

(3)将步骤(2)混合均匀后的溶液滴到基片上，进行旋涂成膜；

(4)将旋涂有复合溶液的基片在烘烤灯下烘干；

(5)将烘干后的样品从基片上剥离，然后放置在自制的模具中，利用微波等离子技术在氮气、氢气氛围下进行加热处理，随后在氮气、氢气的氛围中冷却后取出；

(6)将步骤(5)中取出的样品在研钵中研磨成粉；

上述步骤中，以碳前驱体溶液、金属盐为原料混合，再旋涂于基片上，烘干成膜，经微波等离子技术生长出金属复合石墨烯，其中金属前驱体包含硝酸铜、硝酸银以及金属氯化物。