氮摻雜石墨烯空心球的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有優(yōu)良電催化氧還原性能的氮摻雜石墨烯空心球的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，人們對(duì)能源的需求日益增長(zhǎng)。燃料電池作為一種高效、清潔的電化學(xué)能源裝置，近年來(lái)得到國(guó)內(nèi)外普遍重視。燃料電池中正極的氧還原反應(yīng)(0RR)是影響電池性能的重要因素之一。目前商用的Pt/C催化劑成本高，抗毒性差，壽命短等諸多問(wèn)題，限制了燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用。
[0003]氮摻雜碳材料由于其成本較低，具有較好的電催化0RR的性能引起人們關(guān)注。石墨烯作為一種新型的二維碳材料，現(xiàn)已被應(yīng)用于各種電化學(xué)領(lǐng)域。氮摻雜的石墨烯在電催化0RR中，表現(xiàn)出了很好的催化性能，耐毒性能及穩(wěn)定性能。
[0004]目前，應(yīng)用于燃料電池氧還原陰極的氮摻雜石墨烯空心球材料多以二氧化硅為模板，需要用HF刻蝕以除去模板，步驟繁瑣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種氮摻雜石墨烯空心球的制備方法。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種氮摻雜石墨烯空心球的制備方法，其特征是該方法具有以下工藝步驟:將濃度為2.5% mg/mL的聚苯乙稀微球水的分散液、濃度為1-3 mg/mL的氧化石墨稀水的分散液、水和三聚氰胺按1ml:1000ml: 1000ml:50g的比例充分混合均勻后，在惰性氣體保護(hù)下800°C煅燒2小時(shí)，自然冷卻至室溫，得到氮摻雜石墨烯空心球。
[0007]本發(fā)明以聚苯乙烯微球?yàn)槟０?，石墨烯為碳源，三聚氰胺為氮源，?jīng)煅燒，得到氮摻雜石墨烯空心球。制備得到的氮摻雜石墨烯空心球催化劑，具有獨(dú)特的空心結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的導(dǎo)電性、較好的氧還原催化性及良好的穩(wěn)定性和耐毒性，能提高材料內(nèi)部氧氣、電子的擴(kuò)散和傳輸速率，增加其氧還原性能。材料密度小、質(zhì)量輕、比表面積大，對(duì)0RR有很好的催化性能。與商用的Pt/C催化劑相比，雖然0RR在NGHM的起始電勢(shì)比在Pt/C上略低，但0RR在NGHM上的限制電流密度與在Pt/C上相當(dāng)。另外與Pt/C相比，NGHM具有較高的穩(wěn)定性及耐毒性，且成本低。因此制備的NGHM完全有可能替代商用Pt/C而大大降低燃料電池的商業(yè)化成本。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1為實(shí)施例1中制備的NGHM的透射電鏡照片；
圖2為實(shí)施例1中制備的NGHM的X射線(xiàn)光電子能譜；
圖3為實(shí)施例1中制備的NGHM在氧氣和氮?dú)怙柡偷?.lmol/L的Κ0Η溶液中的循環(huán)伏安曲線(xiàn)；
圖4為實(shí)施例1中制備的NGHM和商用Pt/C在氧氣飽和的0.lmol/L的Κ0Η溶液中的線(xiàn)性?huà)呙枨€(xiàn)；
圖5為NGHM和Pt/C在氧氣飽和的0.lmol/L K0H溶液中的i_t曲線(xiàn)(50s時(shí)加入lmol/L的甲醇)；
圖6 NGHM和Pt/C在氧氣飽和的0.lmol/L K0H的溶液中的i_t曲線(xiàn)(旋轉(zhuǎn)速度為1500rpm,電勢(shì)為-0.3V (vs.Hg/HgO))。
【具體實(shí)施方式】
[0009]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明:
實(shí)施例一:具體步驟如下:
1)石墨稀的制備:通過(guò)Hmnmers法制備并經(jīng)超聲得到固含量為0.lmg/mL的高分散性氧還原石墨稀G0N ；
2)取4mL商業(yè)聚苯乙稀微球(阿拉丁試劑(上海有限公司))與lOOmLGON分散液混合，并加入500mL蒸饋水，攪拌過(guò)夜；
3)將3g三聚氰胺加入步驟2)中的混合液中，攪拌過(guò)夜，冷凍干燥；
4)將步驟3)中的產(chǎn)物在氮?dú)怏w保護(hù)下800°C煅燒，保溫2h，自然冷卻至室溫，得到NGHM。圖1為NGHM的透射電鏡圖，圖2為NGHM的X射線(xiàn)光電子能譜，證明NGHM為摻雜氮的空心球結(jié)構(gòu)。
[0010]5)以Hg/HgO為參比電極，鉑絲為對(duì)電極，NGHM修飾的玻碳電極為工作電極，
0.lmol/L的Κ0Η溶液電解液，對(duì)NGHM進(jìn)行電化學(xué)氧還原性能的表征。圖3為NGHM在氧氣飽和和氮?dú)怙柡偷?.lmol/L Κ0Η溶液中的循環(huán)伏安曲線(xiàn)，圖4為NGHM和Pt/C修飾的玻碳電極在氧氣飽和的0.lmol/L Κ0Η溶液中的線(xiàn)性?huà)呙璺睬€(xiàn)，圖5為NGHM和Pt/C在氧氣飽和的0.lmol/L Κ0Η溶液中的i_t曲線(xiàn)(50s時(shí)加入lmol/L的甲醇)，圖6為NGHM和Pt/C在氧氣飽和的0.lmol/L Κ0Η的溶液中的i_t曲線(xiàn)(旋轉(zhuǎn)速度為1500rpm，電勢(shì)為-0.3V(vs.Hg/HgO))ο證明雖然0RR在NGHM的起始電勢(shì)比在Pt/C上略低，但0RR在NGHM上的限制電流密度與在Pt/C上相當(dāng)。且NGHM具有較高的穩(wěn)定性及耐毒性。因此制備的NGHM完全有可能替代商用Pt/C。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.此一種氮摻雜石墨烯空心球的制備方法，其特征是該方法具有以下工藝步驟:將濃度為2.5% mg/mL的聚苯乙稀微球水的分散液、濃度為1-3 mg/mL的氧化石墨稀水的分散液、水和三聚氰胺按Iml:1000ml:1000ml:50g的比例充分混合均勻后，在惰性氣體保護(hù)下800°C煅燒2小時(shí)，自然冷卻至室溫，得到氮摻雜石墨烯空心球。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及氮摻雜石墨烯空心球的制備方法。以聚苯乙烯微球?yàn)槟０?，石墨烯為碳源，三聚氰胺為氮源，?jīng)煅燒，得到了NGHM。制備得到的NGHM對(duì)ORR有很好的催化性能。與商用的Pt/C催化劑相比，雖然ORR在NGHM的起始電勢(shì)比在Pt/C上略低，但ORR在NGHM上的限制電流密度與在Pt/C上相當(dāng)。另外與Pt/C相比，NGHM具有較高的穩(wěn)定性及耐毒性，且成本低。因此制備的NGHM完全有可能替代商用Pt/C。
【IPC分類(lèi)】H01M4/90, C01B31/04
【公開(kāi)號(hào)】CN105236399
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510659892
【發(fā)明人】施利毅, 顏蔚, 王令, 李?lèi)?ài)軍, 陳昶
【申請(qǐng)人】上海大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年1月13日
【申請(qǐng)日】2015年10月14日