【2019年第六期】氮掺杂石墨烯/多孔碳复合材料的

DOI:10./0438?1157.

引用本文:贺新福, 龙雪颖, 吴红菊, 张凯博, 周均, 李可可, 张亚婷, 邱介山. 氮掺杂石墨烯/多孔碳复合材料的制备及其氧还原催化性能[J]. 化工学报, 2019, 70(6): 2308-2315

氮掺杂石墨烯/多孔碳复合材料的制备及其氧还原催化性能

贺新福1,2，龙雪颖1，吴红菊1，张凯博1，

周均1，李可可1，张亚婷1,2，邱介山3,4

(1西安科技大学化学与化工学院，陕西 西安 ;2国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 ;3大连理工大学化工学院，辽宁 大连 ;4北京化工大学化学工程学院，北京 )

摘 要

采用简单、无模板的方法制备了氮掺杂多孔石墨烯/碳复合材料(NPGC)。采用SEM、XRD、Raman、XPS等分析手段对NPGC的形貌、组成以及结构进行了表征，利用旋转圆盘电极技术测试了其电催化氧还原反应(ORR)活性。结果表明，葡萄糖在水热后生成的碳与石墨烯成功复合，并在950℃炭化、活化后形成了相互渗透、结构良好的三维片状多孔网络结构;其氮含量高达9.47%。NPGC作为一种高效的非金属ORR电催化剂，在碱性溶液中具有较高的起始电位[0.87 V(vs RHE)]和较大的极限电流密度(4.7 mA?cm﹣2)，以及其ORR平均转移电子数为3.8。与商业Pt/C催化剂相比，NPGC具有较强的耐甲醇性和长期耐久性，且制备成本较低，具有广阔的应用前景。

引 言

氧还原反应(ORR)催化剂是燃料电池的重要组成部分。目前最常用的ORR催化剂是Pt/C催化剂，但Pt的价格高昂、储量低，且该催化剂电化学稳定性较差，易甲醇中毒。因此，开发高效低廉的非贵金属电催化氧还原反应(ORR)催化剂以取代或部分取代Pt/C催化剂，对降低催化剂成本、促进燃料电池大规模的商业应用具有重要的意义。

近年来，氮掺杂石墨烯(NG)类催化剂由于具有比表面积大、导电率好、载流子迁移率高、吸附氧能力强等优点，发展为一种新型氧还原催化剂材料，受到研究人员的广泛关注。然而在这类催化剂中，所用石墨烯多为二维结构，石墨烯片层往往通过π-π键相互作用而卷曲堆叠，覆盖石墨烯上大量的催化位点，导致其电化学性能显著降低;不利于氮原子进入石墨烯骨架，从而影响氮缺陷活性位的生成;并且缺少传质通道导致氧还原催化性能降低。研究发现，通过将其他物质作为间隔物引入石墨烯层间以减少石墨烯的团聚，可有效改善石墨烯类催化剂的ORR催化性能。Chen等以ZIF为前驱体采用水热法制备得到氮掺杂石墨烯/碳纳米管复合材料，该材料以碳纳米管作为纳米间隔物很好地抑制了石墨烯团聚，然而碳纳米管可控制备较难，不易于工业化制备。Jiang等采用一锅法制备得到NiCoO2插层石墨烯材料，该材料显示出优异的ORR性能，起始电位与Pt/C接近，但其极限电流密度仅有4 mA?cm﹣2，分析认为这可能是由于金属粒子在ORR电解液中溶解所致。因此，有必要寻找一种廉价易得的间隔物，采用简单方法有效抑制石墨烯的团聚，进而改善石墨烯复合材料的ORR性能。

本文提出一种简单、无模板的NG合成方法。以廉价无毒性的葡萄糖为碳源，通过水热合成与石墨烯复合，制备石墨烯/碳复合材料。在水热合成过程中，利用葡萄糖形成的无定形碳，插入石墨烯层间，起到隔膜的作用，减少石墨烯的团聚。所得复合材料再与三聚氰胺、活化剂混合，经高温炭化、活化，形成具有多孔片状的氮掺杂多孔石墨烯/碳复合材料(NPGC)。由于葡萄糖基无定形碳的引入，可大幅降低石墨烯用量，还可达到降低成本的目的。

结 论

本文采用水热法以低成本葡萄糖为碳源、三聚氰胺为氮源并经高温炭化、活化后得到了片状多孔氮掺杂多孔石墨烯/碳复合材料(NPGC);合成的NPGC的氮含量高达9.47%且吡啶氮和石墨化氮含量居多;在碱性溶液氧还原测试中NPGC表现出优异的ORR活性，具有较高的起始电位[0.87 V(vs RHE)]、极限电流密度可达到4.7 mA?cm﹣2，其ORR平均转移电子数为3.8，是一种近四电子转移过程;与Pt/C相比，NPGC具更好的长期稳定性(86%)且具有良好的抗甲醇“跨界效应”，有望作为一种优良的ORR催化剂在实际生产中得到应用。

1实验部分

原料与试剂

NPGC的制备

图1 NPGC的制备过程

表1 水热反应前后GO和石墨烯/碳复合材料的质量

上一篇：论文参考文献中字母的意思

下一篇：没有了