[发明专利]掺杂石墨烯材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种掺杂石墨烯材料及其制备方法和应用，上述掺杂石墨烯材料其组成包括金属原子和石墨烯，所述金属原子在所述掺杂石墨烯材料中的质量百分比大于0％且不大于20％，其中，所述金属原子以原子级别的化学替代掺杂至石墨烯中，所述金属原子为过渡金属原子。通过以自支撑的石墨烯，过渡金属单原子作为催化活性位点与高导电的石墨烯基体进行原子级别的化学键合，充分利用石墨烯自身的三维孔洞提供了气体扩散通道，无需添加粘结剂以及导电剂，也无需与气体扩散层进一步复合。完整的自支撑的电极结构使得电极在长时间的使用过程中不会出现活性物质的脱落，显著提升了电极的长循环稳定性以及在保证催化性能的同时提升了电极的使用寿命。

技术领域

本发明涉及电池领域，特别是涉及一种掺杂石墨烯材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着化石燃料的消耗与人类活动碳排放的增加，开发清洁、高效的新型可再生能源成为能源领域的重要研究方向。近年来“碳中和”目标的提出，使得新能源器件的开发进一步成为研究的热点。燃料电池以燃料和氧气为反应原料，将化学能转化为电能，是一种清洁、高效的发电装置，具有发电效率高、能量密度高以及可选燃料种类多样等优点，是一种极具应用前景的新能源电池。

空气电极是燃料电池的正极，主要发生氧气的还原反应，是电池反应速度的控制步骤，因此开发高性能的空气电极对于提升燃料电池的性能具有重要意义。传统空气电极一般由气体扩散层、粘结剂和催化剂三部分组成，将催化剂与导电剂、粘结剂混合配置成浆料，通过浸渍、喷涂等工艺涂覆于气体扩散层基底。但这种制备工艺中，催化剂浆料与基底间存在界面电阻，会一定程度影响电池的放电效率。此外，长时间的工作容易导致催化剂从基底脱落，使得空气电极的循环稳定性受到影响。因此，近年来开发出了自支撑的空气电极，不需要额外添加导电剂、粘结剂以及集流体，直接用作燃料电池的空气电极，省去了制备电极过程中的涂膜工艺，大大简化了空气电极的制作方法。目前常见的自支撑电极多为碳纸、水凝胶、泡沫镍等导电骨架基体上原位负载合金、金属化合物纳米颗粒。但利用负载纳米颗粒的电极在使用过程中纳米颗粒会发生团聚、脱落，导致材料本身的结构发生变化，影响电极的催化性能。

发明内容

基于此，有必要提供一种活性物质不易脱落、具有良好的催化性能以及电池电极循环稳定性的掺杂石墨烯材料及其制备方法和应用。

本发明提供一种掺杂石墨烯材料，其组成包括金属原子和石墨烯，所述金属原子在所述掺杂石墨烯材料中的质量百分比大于0％且不大于20％；

其中，所述金属原子以原子级别的化学替代掺杂至石墨烯中，所述金属原子为过渡金属原子。

在其中一个实施例中，所述金属原子为铜原子、铁原子、锌原子、钴原子和镍原子中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述掺杂石墨烯材料的厚度为1μm～30μm。

在其中一个实施例中，所述石墨烯为单层石墨烯或层数为2～10的少层石墨烯。

本发明还进一步地提供一种如上述的掺杂石墨烯材料的制备方法，包括如下步骤：

S10：将第一份石墨烯与第一溶剂通过超声或细胞粉碎的方法混合均匀，抽滤成膜，滤去液体，制备第一分散原料；

S20：将金属盐与第二溶剂混合后，在所述第一分散原料薄膜的基础上进行抽滤，滤去液体，制备第二分散原料；

S30：将第二份石墨烯与第三溶剂混合后，在所述第二分散原料的基础上进行抽滤，滤去液体，制备第三分散原料；

S40：对所述第三分散原料进行热处理。

在其中一个实施例中，在步骤S10～步骤S30中，抽滤为真空抽滤。

在其中一个实施例中，在步骤S10～步骤S30中，所述第一溶剂、所述第二溶剂以及所述第三溶剂各自独立地选自水和乙醇中的至少一种。