基于三維多孔石墨烯的氧析出電極的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于三維多孔石墨烯的氧析出電極的制備方法，包括以下步驟：1）將石墨粉進(jìn)行氧化制備石墨氧化物；2）將步驟1）制備的石墨氧化物在60~80℃下真空干燥；3）將步驟2）得到的干燥后的石墨氧化物在真空下80~120℃熱處理8~24h；4）將步驟3）中的石墨氧化物在真空下升溫至180~250℃并保持5~60min。本發(fā)明制備的基于三維多孔石墨烯的氧析出電極具有優(yōu)良的氧析出催化性能和長期穩(wěn)定性，可替代昂貴的銥及其氧化物電極，并廣泛應(yīng)用于光解水和金屬-空氣電池以及其他能源轉(zhuǎn)換裝置等領(lǐng)域，具備較高的實(shí)用價值，并且本發(fā)明的原料為普通石墨粉，原料來源廣泛、價格低廉、制備方法簡單、適合大規(guī)模生產(chǎn)。
【專利說明】基于三維多孔石墨烯的氧析出電極的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氧析出電極的制備方法，具體涉及一種基于三維多孔石墨烯的氧析出電極的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氧氣的析出反應(yīng)是最重要的電催化反應(yīng)之一，廣泛應(yīng)用于光解水和金屬-空氣電池等領(lǐng)域。銥及其氧化物電極是目前氧析出反應(yīng)傳統(tǒng)的電極也是最常用的電極，但銥作為貴金屬，其價格昂貴、資源有限，且長時間運(yùn)行時性能損失嚴(yán)重，阻礙了光解水和金屬-空氣電池等領(lǐng)域的商業(yè)化發(fā)展。針對銥及其氧化物電極價格昂貴、資源有限、長時間運(yùn)行時性能損失嚴(yán)重等嚴(yán)重不足，近年來研究發(fā)現(xiàn)某些過渡金屬元素(例如錳和鎳)氧化物材料表現(xiàn)出一定的氧析出性能，但過渡金屬氧化物氧析出過電位通常較高，效果不理想，并且步驟繁瑣，難于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。例如d Perovskite Oxide Optimized for OxygenEvolution Catalysis from Molecular Orbital Principles.Jin Suntivich et al.Science 334，1383 (2011).DO1: 10.1126/science.1212858; Photochemical Routefor Accessing Amorphous Metal Oxide Materials for Water Oxidation Catalysis.Rodney D.L Smith et aL Science 340，60 (2013).DO1: 10.1126/science.1233638;Photochemical Water Oxidation by Crystalline Polymorphs of Manganese Oxides:Structural Requirements for Catalysis.David M.Robinson et al.J.Am.Chem.Soc.135，3494(2013).DOI..10.1021/ja310286h.因此，研究一種高效、價格便宜、穩(wěn)定可靠、制備步驟簡單的氧析出電極顯得十分必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于三維多孔石墨烯的氧析出電極的制備方法，該電極具有優(yōu)良的氧析出催化性能和長期穩(wěn)定性，并且原材料來源豐富、制備方法簡單、價格低廉。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
本發(fā)明的基于三維多孔石墨烯的氧析出電極的制備方法，包括以下步驟:
1)將石墨粉進(jìn)行氧化制備石墨氧化物；
2)將步驟I)制備的石墨氧化物在6(T80°C下真空干燥；
3)將步驟2)得到的干燥后的石墨氧化物在真空下8(T12(TC熱處理8?24h；
4)將步驟3)中的石墨氧化物在真空下升溫至18(T250°C并保持5飛Omin，得到的產(chǎn)物即為基于三維多孔石墨烯的氧析出電極。
[0005]進(jìn)一步，所述步驟I)中，使用濃硫酸、硝酸鈉以及高錳酸鉀將石墨粉氧化，制備石
墨氧化物。
[0006]進(jìn)一步，所述步驟2)中，將石墨氧化物真空干燥IOh以上。
[0007]進(jìn)一步，所述步驟3)中，將干燥后的石墨氧化物碾碎或者切成小塊，然后再進(jìn)行熱處理。
[0008]進(jìn)一步，所述步驟4)中，將石墨氧化物在真空度低于0.03Pa的條件下以高于I°C/s的速度快速升溫。
[0009]本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明將石墨氧化制備石墨氧化物，然后將石墨氧化物進(jìn)行一系列真空干燥和真空熱處理，制備出基于三維多孔石墨烯的氧析出電極，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該電極具有優(yōu)良的氧析出催化性能和長期穩(wěn)定性，并且本發(fā)明的原料為普通石墨粉，原料來源廣泛、價格低廉、制備方法簡單、適合大規(guī)模生產(chǎn)。
[0010]石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，是一種由碳原子以SP2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。自2004年英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈.海姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯以來，石墨烯因其具有的良好的電導(dǎo)性能、透光性能和柔性性能，使它在觸摸屏、液晶顯示、有機(jī)光伏電池、有機(jī)發(fā)光二極管等領(lǐng)域作為透明電導(dǎo)電極得到了廣泛的應(yīng)用。而由本發(fā)明的方法制備的三維多孔石墨烯具有高效的氧析出催化性能，可以作為氧析出電極使用，從而拓展了石墨烯的應(yīng)用范圍，本發(fā)明制備的基于三維多孔石墨烯的氧析出電極可替代昂貴的銥及其氧化物電極，并廣泛應(yīng)用于光解水和金屬-空氣電池以及其他能源轉(zhuǎn)換裝置等領(lǐng)域，具備較高的實(shí)用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說明:
圖1為實(shí)施例1制備的三維多孔石墨烯電極的掃描電鏡圖；
圖2為實(shí)施例1制備的三維多孔石墨烯電極和氧化銥/碳電極在氧氣飽和0.1M KOH溶液中的極化曲線比較圖；
圖3為實(shí)施例1制備的三維多孔石墨烯電極和氧化銥/碳電極在氧氣飽和0.1M KOH溶液中的穩(wěn)定性比較圖；
圖4為實(shí)施例2制備的三維多孔石墨烯電極的掃描電鏡圖；
圖5為實(shí)施例2制備的三維多孔石墨烯電極和氧化銥/碳電極在氧氣飽和0.1M KOH溶液中的極化曲線比較圖；
圖6為實(shí)施例2制備的三維多孔石墨烯電極和氧化銥/碳電極在氧氣飽和0.1M KOH溶液中的穩(wěn)定性比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0013]實(shí)施例1
本實(shí)施例的基于三維多孔石墨烯的氧析出電極的制備方法，包括以下步驟:
O使用濃硫酸、硝酸鈉以及高錳酸鉀將石墨粉氧化，制備石墨氧化物；
2)將步驟I)制備的石墨氧化物在80°C下真空干燥20h；
3)將步驟2)得到的干燥后的石墨氧化物碾碎，然后在真空下100°C熱處理12h； 4)將步驟3)中的石墨氧化物在真空度約為0.0088Pa條件下以2°C /s的速度快速升溫至200°C并保持lOmin，得到的產(chǎn)物即為基于三維多孔石墨烯的氧析出電極。
[0014]圖1為實(shí)施例1制備的三維多孔石墨烯電極的掃描電鏡圖；從圖中可以清晰的看出三維并且具有多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯。
[0015]圖2為實(shí)施例1制備的三維多孔石墨烯電極和氧化銥/碳電極在氧氣飽和0.1MKOH溶液中的極化曲線比較圖，發(fā)現(xiàn)和氧化銥/碳電極相比，三維多孔石墨烯電極表現(xiàn)出更負(fù)的起始電位，說明三維多孔石墨烯電極具有高效的氧析出催化性能。
[0016]圖3為實(shí)施例1制備的三維多孔石墨烯電極和氧化銥/碳電極在氧氣飽和0.1MKOH溶液中的穩(wěn)定性比較圖，發(fā)現(xiàn)和氧化銥/碳電極相比，運(yùn)行3000s后，三維多孔石墨烯電極具有更負(fù)的電位1.50V，即比氧化銥/碳電極電位提高了約29mV，說明三維多孔石墨烯電極更適合長期的運(yùn)行，具有更高的穩(wěn)定性。
[0017]上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，實(shí)施例1制備的三維多孔石墨烯電極具有優(yōu)良的氧析出催化性能和長期穩(wěn)定性，可替代昂貴的銥及其氧化物電極，作為氧析出電極使用。
[0018]實(shí)施例2
本實(shí)施例的基于三維多孔石墨烯的氧析出電極的制備方法，包括以下步驟:
O使用濃硫酸、硝酸鈉以及高錳酸鉀將石墨粉氧化，制備石墨氧化物；
2)將步驟I)制備的石墨氧化物在60°C下真空干燥24h；
3)將步驟2)得到的干燥后的石墨氧化物碾碎，然后在真空下80°C熱處理16h；
4)將步驟3)中的石墨氧化物在真空度約為0.012Pa條件下以3°C /s的速度快速升溫至180°C并保持30min，得到的產(chǎn)物即為基于三維多孔石墨烯的氧析出電極。
[0019]圖4為實(shí)施例2制備的三維多孔石墨烯電極的掃描電鏡圖；從圖中可以清晰的看出三維并且具有多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯。
[0020]圖5為實(shí)施例2制備的三維多孔石墨烯電極和氧化銥/碳電極在氧氣飽和0.1MKOH溶液中的極化曲線比較圖，發(fā)現(xiàn)和氧化銥/碳電極相比，三維多孔石墨烯電極表現(xiàn)出更負(fù)的起始電位，說明三維多孔石墨烯電極具有高效的氧析出催化性能。
[0021]圖6為實(shí)施例2制備的三維多孔石墨烯電極和氧化銥/碳電極在氧氣飽和0.1MKOH溶液中的穩(wěn)定性比較圖，發(fā)現(xiàn)和氧化銥/碳電極相比，運(yùn)行3500s后，三維多孔石墨烯電極具有更負(fù)的電位1.49V，即比氧化銥/碳電極電位提高了約27mV，說明三維多孔石墨烯電極更適合長期的運(yùn)行，具有更高的穩(wěn)定性。
[0022]上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，實(shí)施例2制備的三維多孔石墨烯電極具有優(yōu)良的氧析出催化性能和長期穩(wěn)定性，可替代昂貴的銥及其氧化物電極，作為氧析出電極使用。
[0023]最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.基于三維多孔石墨烯的氧析出電極的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)將石墨粉進(jìn)行氧化制備石墨氧化物； 2)將步驟I)制備的石墨氧化物在6(T80°C下真空干燥； 3)將步驟2)得到的干燥后的石墨氧化物在真空下8(T12(TC熱處理8?24h； 4)將步驟3)中的石墨氧化物在真空下升溫至18(T250°C并保持5飛Omin，得到的產(chǎn)物即為基于三維多孔石墨烯的氧析出電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維多孔石墨烯的氧析出電極的制備方法，其特征在于:所述步驟I)中，使用濃硫酸、硝酸鈉以及高錳酸鉀將石墨粉氧化，制備石墨氧化物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維多孔石墨烯的氧析出電極的制備方法，其特征在于:所述步驟2)中，將石墨氧化物真空干燥IOh以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維多孔石墨烯的氧析出電極的制備方法，其特征在于:所述步驟3)中，將干燥后的石墨氧化物碾碎或者切成小塊，然后再進(jìn)行熱處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維多孔石墨烯的氧析出電極的制備方法，其特征在于:所述步驟4)中，將石墨氧化物在真空度低于0.03Pa的條件下以高于1°C /s的速度快速升溫。
【文檔編號】H01M4/88GK103928688SQ201410155737
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】李長明, 張連營, 趙志亮 申請人:西南大學(xué)