1.技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于一種pvp/go復(fù)合納米催化材料的制備方法與應(yīng)用，屬于燃料電池用催化劑的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種通過檸檬酸法來分散制備前驅(qū)體，同時加入聚乙烯吡咯烷酮和氧化石墨烯協(xié)調(diào)催化材料的結(jié)構(gòu)，同時將其作為燃料電池催化劑的應(yīng)用技術(shù)。
2.
背景技術(shù)：
陰極氧還原是影響燃料電池性能的關(guān)鍵因素，由于其電極反應(yīng)動力學(xué)緩慢，目前最常用的催化劑是pt基催化劑(stamenkovic，v.r.；fowler，b.；mun，b.s.；wang，g.；ross，p.n.；lucas，c.a.；markovic，n.m.improvedoxygenreductionactivityonpt3ni(111)viaincreasedsurfacesiteavailability.science2007，315，493-497)，但pt的稀有昂貴性嚴(yán)重阻礙了燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用。因此研究和開發(fā)具有高活性、低成本和耐甲醇的陰極催化劑取代貴金屬pt基催化劑是燃料電池研究的熱點。
由于碳基材料制備過程簡單、有良好的化學(xué)性能、機(jī)械穩(wěn)定性，易于結(jié)構(gòu)的調(diào)控。因此受到了人們的普遍關(guān)注(zhang，j.；zhao，z.；xia，z.；dai，l.ametal-freebifunctionalelectrocatalystforoxygenreductionandoxygenevolutionreactions.nat.nanotechnol.2015，10，444)，碳材料具有多級孔結(jié)構(gòu)和高的比表面積更利于傳質(zhì)。碳基材料的應(yīng)用非常廣泛，如超級電容器、電催化、傳感器、儲氫和鋰電池，但碳基材料的制備一般是通過熱解各種前驅(qū)體得到，在制備過程中出現(xiàn)了諸多的問題，例如碳材料的比表面積如何進(jìn)一步提高，微觀結(jié)構(gòu)更加多樣，使制得的碳基催化劑利于電子的傳輸。為解決這些問題，因此尋找新型高效的碳催化材料顯得十分重要，研究中發(fā)現(xiàn)通過引入對催化劑結(jié)構(gòu)起到調(diào)控的組分來改變其結(jié)構(gòu)從而提高材料的性能。
本專利在于提出一種pvp/go復(fù)合納米催化材料的制備方法與應(yīng)用，本發(fā)明中材料用于燃料電池陰極氧還原催化反應(yīng)，并且具有優(yōu)異催化活性和穩(wěn)定性，被認(rèn)為是貴金屬催化劑最具潛力的替代者。
3
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是開發(fā)一種pvp/go復(fù)合納米催化材料的制備方法，且該催化劑的合成方法簡單多變，易于大規(guī)模生產(chǎn)。
本發(fā)明所提供的pvp/go復(fù)合納米催化材料的制備方法是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
一種pvp/go復(fù)合納米催化材料的制備方法，包括如下步驟：
步驟1.用檸檬酸法來分散有機(jī)物制備前驅(qū)體；
步驟2.前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)組裝與優(yōu)化；
步驟3.將步驟2中的合成物在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行熱解處理，獲得最終產(chǎn)。
而且，所述步驟1中有機(jī)物為葡萄糖、三聚氰胺、肉桂酸、對苯二甲酸、苯磺酸、乙烯基咪唑、吡啶、尿素中的一種或幾種。
而且，所述步驟3中熱處理溫度為560～1000℃。
而且，所述步驟3中惰性氣體為氮氣、氬氣、氦氣中的一種或兩種以上的混合氣。
本發(fā)明催化劑用于燃料電池陰極氧還原反應(yīng)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點：
1.本發(fā)明利用聚乙烯吡咯烷酮和氧化石墨烯混合體系在熱解過程中對催化劑形貌的影響，從而制備高效的催化劑，合成過程簡單，易實現(xiàn)規(guī)?；铣伞?/p>
2.制備的催化材料活性位點密度高，結(jié)構(gòu)可控。
4附圖說明
圖1.為本發(fā)明所制備催化劑的流程圖；
5具體實施方式
以下給出本發(fā)明的4個最佳實施例。
實施例一：
(1)稱取0.005mol的檸檬酸用去離子水配制成溶液并用其來分散等摩爾的葡萄糖作為前驅(qū)體。
(2)取0.5g的聚乙烯吡咯烷酮加入(1)中的前驅(qū)體中，同時加入5mggo將其與前驅(qū)體混合，超聲半小時使其分散均勻，制得復(fù)合物。
(3)將上述復(fù)合物取出，放入瓷舟中，在管式爐中進(jìn)行熱解處理，以n2為保護(hù)氣，先1h升溫至100℃并保溫3h，再升溫至1000℃保持1h后自然冷卻至室溫，得到黑色固體。
(4)將上述固體研磨后，取2.5mg與50μlnafion溶液和450μl乙醇溶液混合后超聲30分鐘后制得催化劑漿液，取10μl漿液滴加到提前處理過的玻碳電極上，干燥2小時進(jìn)行電化學(xué)性能測試。
實施例二：
(1)稱取0.02mol的檸檬酸用去離子水配制成溶液并用其來分散等摩爾的有機(jī)物(葡萄糖、三聚氰胺、肉桂酸、對苯二甲酸、苯磺酸、乙烯基咪唑、吡啶、尿素等中的一種或兩種以上的混合物)作為前驅(qū)體。
(2)取0.5g的聚乙烯吡咯烷酮加入(1)中的前驅(qū)體中，同時加入5mggo將其與前驅(qū)體混合，超聲半小時使其分散均勻，制得復(fù)合物。
(3)將上述復(fù)合物取出，放入瓷舟中，在管式爐中進(jìn)行熱解處理，以n2為保護(hù)氣，先1h升溫至100℃并保溫3h，再升溫至1000℃保持1h后自然冷卻至室溫，得到黑色固體。
(4)將上述固體研磨后，取2.5mg與50μlnafion溶液和450μl乙醇溶液混合后超聲30分鐘后制得催化劑漿液，取10μl漿液滴加到提前處理過的玻碳電極上，干燥2小時進(jìn)行電化學(xué)性能測試。
實施例三：
(1)稱取0.02mol的檸檬酸用去離子水配制成溶液并用其來分散等摩爾的有機(jī)物(葡萄糖、三聚氰胺、肉桂酸、對苯二甲酸、苯磺酸、乙烯基咪唑、吡啶、尿素等中的一種或兩種以上的混合物)作為前驅(qū)體。
(2)取0.5g的聚乙烯吡咯烷酮加入(1)中的前驅(qū)體中，同時加入5mggo將其與前驅(qū)體混合，超聲半小時使其分散均勻，制得復(fù)合物。
(3)在(2)的基礎(chǔ)上加入導(dǎo)電碳材料(石墨烯、碳納米管、富勒烯及其衍生物、導(dǎo)電炭黑等中的一種或兩種以上的混合物)、質(zhì)量含量為前驅(qū)體的0.001～50％。
(4)將上述復(fù)合物取出，放入瓷舟中，在管式爐中進(jìn)行熱解處理，以n2為保護(hù)氣，先1h升溫至100℃并保溫3h，再升溫至1000℃保持1h后自然冷卻至室溫，得到黑色固體。
(5)將上述固體研磨后，取2.5mg與50μlnafion溶液和450μl乙醇溶液混合后超聲30分鐘后制得催化劑漿液，取10μl漿液滴加到提前處理過的玻碳電極上，干燥2小時進(jìn)行電化學(xué)性能測試。
實施例四：
(1)稱取0.02mol的檸檬酸用去離子水配制成溶液并用其來分散等摩爾的有機(jī)物(葡萄糖、三聚氰胺、肉桂酸、對苯二甲酸、苯磺酸、乙烯基咪唑、吡啶、尿素等中的一種或兩種以上的混合物)作為前驅(qū)體。
(2)取0.5g的(聚乙烯吡咯烷酮、氯化銨、硝酸銨、碳酸氫鈉、碳酸氫銨等中的至少一種)加入(1)中的前驅(qū)體中，同時加入5mggo將其與前驅(qū)體混合，超聲半小時使其分散均勻，制得復(fù)合物。
(3)在(2)的基礎(chǔ)上加入導(dǎo)電碳材料(石墨烯、碳納米管、富勒烯及其衍生物、導(dǎo)電炭黑等中的一種或兩種以上的混合物)、質(zhì)量含量為前驅(qū)體的0.001～50％。
(4)將上述復(fù)合物取出，放入瓷舟中，在管式爐中進(jìn)行熱解處理，以n2為保護(hù)氣，先1h升溫至100℃并保溫3h，再升溫至1000℃保持1h后自然冷卻至室溫，得到黑色固體。
(5)將上述固體研磨后，取2.5mg與50μlnafion溶液和450μl乙醇溶液混合后超聲30分鐘后制得催化劑漿液，取10μl漿液滴加到提前處理過的玻碳電極上，干燥2小時進(jìn)行電化學(xué)性能測試。