[发明专利]一种掺氮石墨烯-碳纳米管复合催化剂及其制备方法

说明书

本申请涉及催化剂领域，具体公开了一种掺氮石墨烯‑碳纳米管复合催化剂及其制备方法。一种掺氮石墨烯‑碳纳米管复合催化剂，所述催化剂包括碳载体以及负载在所述碳载体上的贵金属；所述碳载体由掺氮还原氧化石墨烯和掺氮碳纳米管构成；其制备方法为将掺氮还原氧化石墨烯与贵金属前驱体溶液混合，使贵金属沉积在掺氮还原氧化石墨烯上，得到载贵金属掺氮还原氧化石墨烯；将掺氮碳纳米管与载贵金属掺氮还原氧化石墨烯通过原位化学还原法结合，得到掺氮石墨烯‑碳纳米管复合催化剂。本申请的掺氮石墨烯‑碳纳米管复合催化剂可用于燃料电池，其具有催化活性高、稳定性高的优点；另外，本申请的制备方法具有方法简单、产量大、适宜批量化生产的优点。

技术领域

本申请涉及催化剂领域，更具体地说，它涉及一种掺氮石墨烯-碳纳米管复合催化剂及其制备方法。

背景技术

金属催化剂是一种以金属为主要活性组分的催化剂，主要有贵金属、铁、钴、镍等过渡元素；按照催化剂的活性组分是否负载在载体上可以分为非负载型金属催化剂和负载型催化剂，其中负载型催化剂是将金属组分负载在载体上，利用催化剂载体具有较大的比表面积，可以更好的分散金属粒子，从而能够提高金属的催化效率，因此负载型催化剂被广泛应用于燃料电池、石油化工等领域。

目前，常见的催化剂载体为炭黑材料，其中，因VulcanXC-72具有较好的导电性和较大的比表面积，是研究的最多的电催化剂载体之一，但用其作为载体的催化剂通常存在稳定性较差和催化活性不够高等问题。因此，近年来许多新型的碳材料被相继用作燃料电池的催化剂载体，如碳纳米管、多孔碳、中空碳球和石墨烯等。这些材料具有比表面积大、导电性好、催化效率高的优点，可以克服炭黑载体催化活性低的缺陷。

其中，碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料，其具有优异的力学、电学和化学性能；而石墨烯是一种具有优异的光学、电学、力学性能的二维碳材料。碳纳米管和石墨烯的性能相似，但是结构不同，为了结合二者的优点，人们将碳纳米管和石墨烯结合以形成三维网状结构。但是将石墨烯-碳纳米管复合载体作为贵金属的载体时，仅通过物理吸附沉积使贵金属颗粒负载在载体上，在催化过程中容易出现贵金属催化剂脱落的现象，影响催化剂的稳定性。

发明内容

为了提高催化剂的稳定性，本申请提供一种掺氮石墨烯-碳纳米管复合催化剂及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种掺氮石墨烯-碳纳米管复合催化剂，采用如下的技术方案：一种掺氮石墨烯-碳纳米管复合催化剂，所述催化剂包括碳载体以及负载在所述碳载体上的贵金属；

所述碳载体由掺氮还原氧化石墨烯和掺氮碳纳米管构成。

通过采用上述技术方案，本申请通过线状的碳纳米管将颗粒状的石墨烯连接，构建成类似三维网状结构，提供了三维连通的导热、导电通道，可以提高碳载体的比表面积，使其具有更好的催化活性。但是传统的复合载体与贵金属颗粒之间仅仅通过物理吸附进行连接，导致贵金属颗粒在催化的过程中容易从复合载体上脱落，而本申请通过对石墨烯以及碳纳米管进行氮掺杂处理，可以将氮原子掺杂在石墨烯以及碳纳米管上，从而可以为后续负载贵金属粒子提供更多的活性位点，不仅可以提高贵金属颗粒与复合载体的结合强度，而且还可以提高其在复合载体上的分散均匀性以及负载量，从而极大地提高了催化剂的稳定性以及电催化活性，提高了催化剂的使用寿命。

第二方面，本申请提供一种掺氮石墨烯-碳纳米管复合催化剂的制备方法，采用如下的技术方案：

一种掺氮石墨烯-碳纳米管复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：

S1、将掺氮还原氧化石墨烯与贵金属前驱体溶液混合，使贵金属沉积在掺氮还原氧化石墨烯上，得到载贵金属掺氮还原氧化石墨烯；

S2、以重量份数计，将5-15份掺氮碳纳米管与85-95份载贵金属掺氮还原氧化石墨烯混合后，分散于水中，加入还原剂，在75-80℃的温度下，反应6-8h得到还原产物，将还原产物经过过滤、干燥后，得到掺氮石墨烯-碳纳米管复合催化剂。