本發(fā)明涉及碳基催化劑制備，具體是一種硼氮摻雜石墨烯的三維結(jié)構(gòu)負(fù)載鉑催化劑的制備方法。

背景技術(shù)：

1、碳基催化劑是由碳元素及其化合物構(gòu)成的材料，因其制備方法簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)靈活多樣，被廣泛應(yīng)用于催化、能源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。在碳基材料家族中，石墨烯由于具有高導(dǎo)電性和高比表面積，能夠提供大量活性位點(diǎn)，促進(jìn)催化反應(yīng)的進(jìn)行，使得其在燃料電池、電解水和超級(jí)電容器等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

2、氫燃料電池作為一種清潔高效的能源技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、應(yīng)對(duì)氣候變化和推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展方面具有重要的潛力和優(yōu)勢(shì)。而氧還原反應(yīng)(orr)作為燃料電池中關(guān)鍵的陰極反應(yīng)，由于涉及復(fù)雜的多電子傳遞過(guò)程和氧分子鍵的斷裂，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢且能量勢(shì)壘高，使得提升燃料電池性能面臨巨大挑戰(zhàn)。開(kāi)發(fā)高效、穩(wěn)定的orr催化劑對(duì)于提高燃料電池效率具有重要意義，從而推動(dòng)清潔能源的廣泛應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展。

3、然而，石墨烯的催化活性不高且穩(wěn)定性較差。前者歸因于石墨烯基面光滑、碳載體易腐蝕或者堆疊造成活性位點(diǎn)大量減少，后者歸因于長(zhǎng)時(shí)間催化反應(yīng)中可能會(huì)發(fā)生失活現(xiàn)象，原因包括金屬負(fù)載的顆粒團(tuán)聚造成粒徑增大和石墨烯層剝離等。因此，制備三維結(jié)構(gòu)材料，增加碳材料缺陷使其活性位點(diǎn)增加，實(shí)現(xiàn)對(duì)其電催化氧還原性能的增強(qiáng)，提高貴金屬的利用率，對(duì)實(shí)現(xiàn)材料的實(shí)際應(yīng)用具有非常重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種硼氮摻雜石墨烯的三維結(jié)構(gòu)負(fù)載鉑催化劑的制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題。

2、本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種硼氮摻雜石墨烯的三維結(jié)構(gòu)負(fù)載鉑催化劑的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

4、s1、取石墨烯片、氮化硼納米片均勻混合，在氮?dú)鈿夥障录訜岱磻?yīng)后，待降溫后轉(zhuǎn)移至馬弗爐加熱反應(yīng)得到bcn，再配制bcn溶液a；

5、s2、將氧化石墨烯go懸浮液與溶液a充分混合，經(jīng)過(guò)超聲處理獲得黑色的均勻分散溶液，再加入鉑鹽混合，超聲后得到溶液c；

6、s3、將溶液c置于高溫高壓反應(yīng)釜中反應(yīng)得到水凝膠，對(duì)水凝膠清洗后，進(jìn)行真空冷凍干燥得到硼氮摻雜石墨烯的三維結(jié)構(gòu)負(fù)載鉑催化劑。

7、進(jìn)一步地，所述s1中100mg石墨烯片與100mg氮化硼納米片均勻混合后，在氮?dú)鈿夥障录訜嶂?00-900℃，反應(yīng)2h后，待降到室溫轉(zhuǎn)移至馬弗爐加熱至400-500℃，反應(yīng)6h，得到bcn。

8、進(jìn)一步地，所述s1中bcn溶液a為bcn與混合液按比例配置，充分混合分散，所得bcn溶液a濃度為2mg/ml，其中混合液為超純水與乙二醇按體積1：1的比例配制。

9、進(jìn)一步地，所述s2中將5ml氧化石墨烯go懸浮液與5ml溶液a充分混合，超聲處理1h后獲得黑色的均勻分散溶液，再加入鉑鹽混合，超聲30min后得到溶液c；

10、其中，氧化石墨烯go懸浮液與溶液a的濃度相同，均為2mg/ml。

11、進(jìn)一步地，所述s2中鉑鹽的添加量為13.2-14.1mg。

12、進(jìn)一步地，所述s2中的鉑鹽為氯鉑酸或者氯鉑酸鉀中的一種。

13、進(jìn)一步地，所述s3中具體操作為：將溶液c連同其玻璃裝置一同轉(zhuǎn)移到內(nèi)襯杯，并放入高溫高壓反應(yīng)釜中，使其在120-140℃下加熱保溫12-16h，利用去離子水清洗水凝膠4-5d后，放入冷凍干燥機(jī)里真空冷凍干燥。

14、進(jìn)一步地，所述s3中鉑鹽經(jīng)過(guò)水熱還原成鉑金屬以及真空冷凍干燥后，使得鉑納米顆粒均勻分散在鉑催化劑的三維碳骨架中。

15、本發(fā)明的有益效果：

16、1、本發(fā)明制備方法，通過(guò)溶劑熱的策略構(gòu)建出硼、氮摻雜石墨烯的三維結(jié)構(gòu)負(fù)載鉑催化劑材料，形成的三維多孔缺陷結(jié)構(gòu)能夠增大電化學(xué)活性面積，有效抑制納米顆粒團(tuán)聚，而且其獨(dú)特的孔洞結(jié)構(gòu)能夠使得外部電解液進(jìn)出材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加容易，保證了反應(yīng)介質(zhì)能夠與活性位點(diǎn)充分接觸，從而提高其電催化活性；

17、2、本發(fā)明制備方法，合成方法簡(jiǎn)單，易于操作，而且利用低電負(fù)性b和高電負(fù)性n的協(xié)同作用，加強(qiáng)了碳骨架的電子遷移能力，調(diào)控石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了鉑納米顆粒與載體之間的耦合作用。該耦合作用不僅減小了鉑顆粒的尺寸，還提高了其均勻分布，加速了反應(yīng)過(guò)程*ooh中間體的裂解，提高其四電子氧還原的性能；

18、3、本發(fā)明制備方法，制備三維結(jié)構(gòu)材料，增加碳材料缺陷使其活性位點(diǎn)增加，實(shí)現(xiàn)對(duì)其電催化氧還原性能的增強(qiáng)，提高貴金屬的利用率，對(duì)實(shí)現(xiàn)材料的實(shí)際應(yīng)用具有非常重要的意義。

技術(shù)特征：

1.一種硼氮摻雜石墨烯的三維結(jié)構(gòu)負(fù)載鉑催化劑的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硼氮摻雜石墨烯的三維結(jié)構(gòu)負(fù)載鉑催化劑的制備方法，其特征在于，所述s1中100mg石墨烯片與100mg氮化硼納米片均勻混合后，在氮?dú)鈿夥障录訜嶂?00-900℃，反應(yīng)2h后，待降到室溫轉(zhuǎn)移至馬弗爐加熱至400-500℃，反應(yīng)6h，得到bcn。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硼氮摻雜石墨烯的三維結(jié)構(gòu)負(fù)載鉑催化劑的制備方法，其特征在于，所述s1中bcn溶液a為bcn與混合液按比例配置，充分混合分散，所得bcn溶液a濃度為2mg/ml，其中混合液為超純水與乙二醇按體積1：1的比例配制。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種硼氮摻雜石墨烯的三維結(jié)構(gòu)負(fù)載鉑催化劑的制備方法，其特征在于，所述s2中將5ml氧化石墨烯go懸浮液與5ml溶液a充分混合，超聲處理1h后獲得黑色的均勻分散溶液，再加入鉑鹽混合，超聲30min后得到溶液c；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硼氮摻雜石墨烯的三維結(jié)構(gòu)負(fù)載鉑催化劑的制備方法，其特征在于，所述s2中鉑鹽的添加量為13.2-14.1mg。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種硼氮摻雜石墨烯的三維結(jié)構(gòu)負(fù)載鉑催化劑的制備方法，其特征在于，所述s2中的鉑鹽為氯鉑酸或者氯鉑酸鉀中的一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硼氮摻雜石墨烯的三維結(jié)構(gòu)負(fù)載鉑催化劑的制備方法，其特征在于，所述s3中具體操作為：將溶液c連同其玻璃裝置一同轉(zhuǎn)移到內(nèi)襯杯，并放入高溫高壓反應(yīng)釜中，使其在120-140℃下加熱保溫12-16h，利用去離子水清洗水凝膠4-5d后，放入冷凍干燥機(jī)里真空冷凍干燥。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種硼氮摻雜石墨烯的三維結(jié)構(gòu)負(fù)載鉑催化劑的制備方法，其特征在于，所述s3中鉑鹽經(jīng)過(guò)水熱還原成鉑金屬以及真空冷凍干燥后，使得鉑納米顆粒均勻分散在鉑催化劑的三維碳骨架中。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及碳基催化劑制備領(lǐng)域，公開(kāi)一種硼氮摻雜石墨烯的三維結(jié)構(gòu)負(fù)載鉑催化劑的制備方法，包括取石墨烯片、氮化硼納米片均勻混合，在氮?dú)鈿夥障录訜岱磻?yīng)后，待降溫后轉(zhuǎn)移至馬弗爐加熱反應(yīng)得到BCN，再配制BCN溶液A；將氧化石墨烯GO懸浮液與溶液A充分混合，經(jīng)過(guò)超聲處理獲得黑色的均勻分散溶液，再加入鉑鹽混合，超聲后得到溶液C；將溶液C置于高溫高壓反應(yīng)釜中反應(yīng)得到水凝膠，對(duì)水凝膠清洗后，進(jìn)行真空冷凍干燥得到硼氮摻雜石墨烯的三維結(jié)構(gòu)負(fù)載鉑催化劑。本發(fā)明制備方法，合成方法簡(jiǎn)單，易于操作，制備三維結(jié)構(gòu)材料，增加碳材料缺陷使其活性位點(diǎn)增加，實(shí)現(xiàn)對(duì)其電催化氧還原性能的增強(qiáng)，提高貴金屬的利用率，實(shí)現(xiàn)材料的實(shí)際應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：李寶潔,劉慶華
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26