CN105236399A - 氮掺杂石墨烯空心球的制备方法 - Google Patents

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颜蔚
王令
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Abstract

本发明涉及氮掺杂石墨烯空心球的制备方法。以聚苯乙烯微球为模板，石墨烯为碳源，三聚氰胺为氮源，经煅烧，得到了NGHM。制备得到的NGHM对ORR有很好的催化性能。与商用的Pt/C催化剂相比，虽然ORR在NGHM的起始电势比在Pt/C上略低，但ORR在NGHM上的限制电流密度与在Pt/C上相当。另外与Pt/C相比，NGHM具有较高的稳定性及耐毒性，且成本低。因此制备的NGHM完全有可能替代商用Pt/C。

Description

氮掺杂石墨烯空心球的制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有优良电催化氧还原性能的氮掺杂石墨烯空心球的制备方法。
背景技术
随着工业的迅速发展，人们对能源的需求日益增长。燃料电池作为一种高效、清洁的电化学能源装置，近年来得到国内外普遍重视。燃料电池中正极的氧还原反应（ORR）是影响电池性能的重要因素之一。目前商用的Pt/C催化剂成本高，抗毒性差，寿命短等诸多问题，限制了燃料电池的大规模应用。
氮掺杂碳材料由于其成本较低，具有较好的电催化ORR的性能引起人们关注。石墨烯作为一种新型的二维碳材料，现已被应用于各种电化学领域。氮掺杂的石墨烯在电催化ORR中，表现出了很好的催化性能，耐毒性能及稳定性能。
目前，应用于燃料电池氧还原阴极的氮掺杂石墨烯空心球材料多以二氧化硅为模板，需要用HF刻蚀以除去模板，步骤繁琐。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮掺杂石墨烯空心球的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种氮掺杂石墨烯空心球的制备方法，其特征是该方法具有以下工艺步骤：将浓度为2.5%mg/mL的聚苯乙烯微球水的分散液、浓度为1-3mg/mL的氧化石墨烯水的分散液、水和三聚氰胺按1ml：1000ml：1000ml：50g的比例充分混合均匀后，在惰性气体保护下800℃煅烧2小时，自然冷却至室温，得到氮掺杂石墨烯空心球。
本发明以聚苯乙烯微球为模板，石墨烯为碳源，三聚氰胺为氮源，经煅烧，得到氮掺杂石墨烯空心球。制备得到的氮掺杂石墨烯空心球催化剂，具有独特的空心结构、优异的导电性、较好的氧还原催化性及良好的稳定性和耐毒性，能提高材料内部氧气、电子的扩散和传输速率，增加其氧还原性能。材料密度小、质量轻、比表面积大，对ORR有很好的催化性能。与商用的Pt/C催化剂相比，虽然ORR在NGHM的起始电势比在Pt/C上略低，但ORR在NGHM上的限制电流密度与在Pt/C上相当。另外与Pt/C相比，NGHM具有较高的稳定性及耐毒性，且成本低。因此制备的NGHM完全有可能替代商用Pt/C而大大降低燃料电池的商业化成本。
附图说明
图1为实施例1中制备的NGHM的透射电镜照片；
图2为实施例1中制备的NGHM的X射线光电子能谱；
图3为实施例1中制备的NGHM在氧气和氮气饱和的0.1mol/L的KOH溶液中的循环伏安曲线；
图4为实施例1中制备的NGHM和商用Pt/C在氧气饱和的0.1mol/L的KOH溶液中的线性扫描曲线；
图5为NGHM和Pt/C在氧气饱和的0.1mol/LKOH溶液中的i-t曲线（50s时加入1mol/L的甲醇）；
图6NGHM和Pt/C在氧气饱和的0.1mol/LKOH的溶液中的i-t曲线（旋转速度为1500rpm，电势为-0.3V（vs.Hg/HgO））。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明：
实施例一：具体步骤如下：
1)石墨烯的制备：通过Hummers法制备并经超声得到固含量为0.1mg/mL的高分散性氧还原石墨烯GON；
2)取4mL商业聚苯乙烯微球（阿拉丁试剂（上海有限公司））与100mLGON分散液混合，并加入500mL蒸馏水，搅拌过夜；
3)将3g三聚氰胺加入步骤2）中的混合液中，搅拌过夜，冷冻干燥；
4)将步骤3）中的产物在氮气体保护下800℃煅烧，保温2h，自然冷却至室温，得到NGHM。图1为NGHM的透射电镜图，图2为NGHM的X射线光电子能谱，证明NGHM为掺杂氮的空心球结构。
5)以Hg/HgO为参比电极，铂丝为对电极，NGHM修饰的玻碳电极为工作电极，0.1mol/L的KOH溶液电解液，对NGHM进行电化学氧还原性能的表征。图3为NGHM在氧气饱和和氮气饱和的0.1mol/LKOH溶液中的循环伏安曲线，图4为NGHM和Pt/C修饰的玻碳电极在氧气饱和的0.1mol/LKOH溶液中的线性扫描伏安曲线，图5为NGHM和Pt/C在氧气饱和的0.1mol/LKOH溶液中的i-t曲线（50s时加入1mol/L的甲醇），图6为NGHM和Pt/C在氧气饱和的0.1mol/LKOH的溶液中的i-t曲线（旋转速度为1500rpm，电势为-0.3V（vs.Hg/HgO））。证明虽然ORR在NGHM的起始电势比在Pt/C上略低，但ORR在NGHM上的限制电流密度与在Pt/C上相当。且NGHM具有较高的稳定性及耐毒性。因此制备的NGHM完全有可能替代商用Pt/C。

Claims (1)

1.此一种氮掺杂石墨烯空心球的制备方法，其特征是该方法具有以下工艺步骤：将浓度为2.5%mg/mL的聚苯乙烯微球水的分散液、浓度为1-3mg/mL的氧化石墨烯水的分散液、水和三聚氰胺按1ml：1000ml：1000ml：50g的比例充分混合均匀后，在惰性气体保护下800℃煅烧2小时，自然冷却至室温，得到氮掺杂石墨烯空心球。
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