CN105597779A - 石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子的复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子的复合材料及其制备方法。该复合材料是指在石墨烯表面上负载有形貌规整、粒径分布均匀的纳米镍粒子和纳米钯粒子,其中,所述石墨烯的质量百分比为40%~80%,所述纳米镍粒子的质量百分比为10%~30%,所述纳米钯粒子的质量百分比为10%~30%。本发明提供的制备方法原材料易得,且价格比较低廉;方法比较简单,易于操作。本发明合成的石墨烯负载的双金属纳米镍和钯粒子复合材料不仅具有石墨烯的优良特性,而且同时具备镍和钯两种纳米粒子的优良催化性能,可以在催化剂、储氢材料、电池材料及超级电容器等许多领域具有更佳广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料及其制备方法,属于催化材料制备领域。
背景技术
近年来的研究发现,众多催化剂对镁基储氢材料的吸放氢性能改善有良好的效果。催化剂在提高金属氢化物的吸放氢速率方面起着重要作用,它能快速有效地促进氢分子的分解。高效的催化剂,即使只添加微量也能极大地提高材料的吸放氢性能。找到一种较为合适的催化剂来提高材料的储氢性能,是研究的热点。
各种催化剂中,过渡族金属(如Ni、Cu、Pd和Co等)的研究较早,研究者们比较全面地了解其对镁基合金储氢材料的催化效果和催化机理。Ni在低温吸氢过程中,对氢气分子的解离和吸附有着很好的催化作用,能够有效地催化氢气解离为氢原子,从而促进MgH2的形成,提高体系的吸氢性能。Pd能吸收大量氢气,在低温下(40~50℃)时即可释放出氢,且能够促进H2分子在储氢合金表面解离成H原子,降低了H的解离势垒,促进了氢的吸收和释放,所以它是一种提高镁基储氢合金吸放氢性能非常理想的催化剂。
石墨烯作为一种新发现的纳米碳材料,是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料,是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜,集优异的力学、热学、电学和磁学性能于一身。石墨烯是目前世上最薄却也是最坚硬的纳米材料,导热系数高达5300W/m·K,高于碳纳米管和金刚石。石墨烯最大的特性之一是电子在其中的运动速度达到光速的1/300,远远超过电子在其他导体中的运动速度,又比碳纳米管和硅晶体高。石墨烯结构非常稳定,电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。迄今为止,研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。球磨等机械作用很难破坏石墨烯的结构。因此,为了保证金属纳米粒子的稳定性,获得较高的金属颗粒分散度,将金属纳米粒子负载在具有高比表面的石墨烯,利用金属和石墨烯之间的相互作用和空间限制,使粒子间相互隔开以阻止它们的迁移和聚集,使其在量很少的情况下发挥最高的活性。因此,急需开发一种在石墨烯上负载多种金属纳米粒子的复合材料的制备方法。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的之一在于提供一种石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子的复合材料。该材料具有良好的催化性能,可以应用于催化剂、储氢材料、电池材料及超级电容器等领域。
本发明的目的之二在于提供一种上述石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料的制备方法。该方法可以有效控制产品的形貌和粒径,工艺简单,且产物纯度高、金属粒子在石墨烯上负载的分散性好、尺寸均匀、粒径小且具有良好的催化性能。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子的复合材料,其是在石墨烯表面上负载有形貌规整、粒径分布均匀的纳米镍粒子和纳米钯粒子,其中,在所述复合材料中,所述石墨烯的质量百分比为40%~80%,所述纳米镍粒子的质量百分比为10%~30%,所述纳米钯粒子的质量百分比为10%~30%。
上述石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子的复合材料,作为一种优选实施方式,在所述复合材料中,所述纳米镍粒子与所述石墨烯的质量比为0.125-0.8:1(比如0.15:1、0.175:1、0.20:1、0.225:1、0.25:1、0.35:1、0.45:1、0.55:1、0.65:1、0.70:1、0.725:1、0.75:1);更优选地,在所述复合材料中,所述纳米镍粒子与所述纳米钯粒子的质量比为1:1。
上述石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子的复合材料,作为一种优选实施方式,在所述复合材料中,所述纳米镍粒子的平均粒度为20-28nm(比如21nm、21nm、22nm、23nm、24nm、25nm、26nm、27nm),所述纳米钯粒子的平均粒度为6-14nm(比如7nm、8nm、9nm、10nm、11nm、12nm、13nm)。
上述石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子的复合材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤一,石墨烯负载纳米镍粒子粉末的制备;
步骤二,首先,将所述石墨烯负载纳米镍粒子粉末和有机溶剂形成的溶液与Pd源溶液共混并调节pH值至10-14(比如10.2、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5、13.8),从而得到共混液;然后,将所述共混液在110-140℃(比如112℃、115℃、118℃、122℃、126℃、130℃、134℃、136℃、138℃)条件下回流5-7h(比如5.1h、5.2h、5.4h、5.6h、5.8h、6.0h、6.2h、6.4h、6.6h、6.8h、6.9h),之后将得到的回流产物抽滤,再对抽滤后得到的固体产物进行洗涤、干燥处理,得到所述石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子的复合材料。该步骤反应机理如下:
上述复合材料的制备方法,作为一种优选实施方式,所述步骤一中,所述石墨烯负载纳米镍粒子粉末的制备包括如下步骤:
S1,将石墨烯粉末加入浓HNO3溶液中,在130-170℃(比如132℃、135℃、138℃、142℃、146℃、150℃、154℃、158℃、162℃、165℃、168℃)下回流4-8h(比如4.2h、4.5h、5h、5.5h、6h、6.5h、7h、7.5h、7.8h),冷却后将得到固体产物洗涤至中性并烘干,得到功能化石墨烯粉末;
S2,先将所述功能化石墨烯粉末与Ni源混合,再加入到分散剂中,超声混合均匀后烘干;然后将烘干后的粉末在氩气气氛中进行煅烧处理,再在氢气气氛中进行还原处理,最后自然冷却至室温,得到所述石墨烯负载纳米镍粒子粉末。该步骤反应机理如下:
上述复合材料的制备方法,作为一种优选实施方式,步骤一中,所述浓HNO3溶液的质量百分比浓度为69%。本发明中采用浓HNO3对石墨烯进行预处理的作用是除去石墨烯纳米片表面残留的杂质,并使其表面产生部分活性基团,有利于金属纳米粒子的吸附。一般地,浓HNO3溶液取30-40mL。
上述复合材料的制备方法,作为一种优选实施方式,步骤一中,回流温度为140-160℃(比如141℃、143℃、145℃、147℃、149℃、151℃、153℃、155℃、157℃、159℃),回流时间为5-7h(比如5.1h、5.2h、5.4h、5.6h、5.8h、6.0h、6.2h、6.4h、6.6h、6.8h、6.9h)。
上述复合材料的制备方法,作为一种优选实施方式,步骤一中,所述Ni源中的Ni与所述功能化石墨烯粉末的质量比为0.125-0.8:1(比如0.15:1、0.175:1、0.20:1、0.225:1、0.25:1、0.35:1、0.45:1、0.55:1、0.65:1、0.70:1、0.725:1、0.75:1)。
上述复合材料的制备方法,作为一种优选实施方式,步骤一中,所述分散剂为丙酮或乙醇。丙酮作为超声分散的分散剂,沸点低容易干燥除去;乙醇作为分散剂,其沸点稍高些。
上述复合材料的制备方法,作为一种优选实施方式,步骤一中,所述煅烧处理的温度为350-450℃(比如355℃、360℃、370℃、380℃、390℃、400℃、410℃、420℃、430℃、440℃、445℃)、时间为3-5h(比如3.2h、3.4h、3.6h、3.8h、4h、4.2h、4.4h、4.6h、4.8h);所述还原处理的温度为400-500℃(比如405℃、410℃、420℃、430℃、450℃、460℃、470℃、480℃、490℃、495℃)、时间为3-5h(比如3.2h、3.4h、3.6h、3.8h、4h、4.2h、4.4h、4.6h、4.8h)。更优选地,所述煅烧处理的温度为380-420℃(比如382℃、385℃、390℃、395℃、400℃、405℃、410℃、415℃),所述还原处理的温度为430-470℃(比如432℃、435℃、440℃、445℃、450℃、455℃、460℃、465℃、468℃)。上述复合材料的制备方法,作为一种优选实施方式,步骤二中,所述有机溶剂为乙二醇、甲醛、乙醇和丙三醇中的至少一种。
上述复合材料的制备方法,作为一种优选实施方式,步骤二中,所述Pd源为PdCl2、Pd(NO3)2和PdSO4中的至少一种。
上述复合材料的制备方法,作为一种优选实施方式,步骤一中,所述Ni源为Ni(NO3)2·6H2O。该带结晶水的原料便宜,能降低生产成本,当然也可以选用其他Ni源原料。
上述复合材料的制备方法,作为一种优选实施方式,步骤二中,所述Pd源中的Pd与所述石墨烯负载纳米镍粒子粉末中的Ni的质量比为1:1。
上述复合材料的制备方法,作为一种优选实施方式,步骤二中,所述Pd源溶液的浓度为2mg/mL;所述Pd源溶液的制备过程是将所述Pd源粉末与去离子水混合并在40-50℃(比如40.5℃、40.5℃、40.5℃、40.5℃、40.5℃、40.5℃、40.5℃、40.5℃)下磁力搅拌1-2h(比如1.1h、1.2h、1.4h、1.5h、1.6h、1.8h、1.9h)。
上述复合材料的制备方法,作为一种优选实施方式,步骤二中,所述石墨烯负载纳米镍粒子粉末与所述有机溶剂形成的溶液是采用超声混合1-2h得到的;在将所述混合液和所述钯源溶液共混时温度为40-50℃(比如40.5℃、40.5℃、40.5℃、40.5℃、40.5℃、40.5℃、40.5℃、40.5℃),采用磁力搅拌3-5h(比如1.1h、1.2h、1.4h、1.5h、1.6h、1.8h、1.9h)。
上述复合材料的制备方法,作为一种优选实施方式,步骤二中,所述石墨烯负载纳米镍粒子粉末与所述有机溶剂的质量体积比为0.02-0.03g/mL。本发明中所述有机溶剂作为还原剂、分散剂和稳定剂。
上述复合材料的制备方法,作为一种优选实施方式,在所述步骤二中,采用NaOH溶液、KOH溶液、氨水中的任意一种调节pH值;所述共混液的pH值为10-12。更优选地,所述NaOH溶液的浓度为5mol/L。
上述复合材料的制备方法,作为一种优选实施方式,步骤二中,所述回流的温度为120-130℃(比如121℃、122℃、124℃、126℃、128℃、129℃)。
上述复合材料的制备方法,作为一种优选实施方式,步骤二中,所述干燥处理的温度为80-90℃(比如81℃、82℃、84℃、86℃、88℃、89℃),干燥时间为6-8h(比如6.2h、6.4h、6.6h、6.8h、7h、7.2h、7.4h、7.6h、7.8h)。
上述复合材料的制备方法,作为一种优选实施方式,在所述步骤二中,所述洗涤是指采用去离子水对抽滤后得到的固体产物反复洗涤至中性。
本发明涉及的原料市场均有售。本发明对镍源、钯源、石墨烯、分散剂、有机溶剂和浓硝酸无特殊要求,均可实施。
上述复合材料的制备方法,作为一种优选实施方式,所述硝酸镍、乙二醇、丙酮为分析纯,所述氯化钯的纯度≥99%,所述石墨烯的纯度≥99.5%。得到的纳米金属粒子纯度高、粒径分布均匀、形貌好和催化性能佳。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1)本发明提供的制备方法原材料易得,且价格比较低廉。
2)本发明提供的制备方法比较简单,易于操作,且实验周期短。
3)利用本发明提供的制备方法制备的复合材料含有两种纳米金属粒子即纳米镍粒子和纳米钯粒子,在石墨烯上负载分散性良好,尺寸均一,粒径较小。纳米镍粒子和纳米钯粒子都是重要的过渡金属材料,具有一系列独特的物理化学特性,本发明利用功能化后的石墨烯,使其和纳米镍粒子和钯粒子之间有化学键链接,不会因洗涤或超声等处理与纳米粒子脱离,同时制备过程中纳米粒子不被氧化,且无影响反应的副产物生成,保证了纳米粒子的纯净。本发明合成的石墨烯负载的双金属纳米镍和钯粒子复合材料不仅具有石墨烯的优良特性,而且同时具备镍和钯两种纳米粒子的优良催化性能,可以在催化剂、储氢材料、电池材料及超级电容器等许多领域具有更佳广泛的应用。纳米镍在低温条件下对氢气的解离和吸附有着良好的作用,纳米钯能提高氢化燃烧合成过程中镁的氢化程度,镍和钯同时催化,材料的吸放氢性能均佳。同时石墨烯与Mg-H键之间存在强烈的电子交互作用,从而改善了材料的放氢性能。
附图说明
图1是本发明实施例3的原料石墨烯、中间产物石墨烯负载纳米镍粒子粉末及最终产物石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料的X射线衍射(XRD)图谱。
图2是本发明实施例3的中间产物石墨烯负载纳米镍粒子粉末的TEM图谱。
图3是本发明实施例3的最终产物石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料的TEM图谱。
图4是本发明实施例3的最终产物石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料的选区电子衍射图谱。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解,下面根据本发明的具体实施例并结合附图,对本发明作进一步详细的说明。
以下实施例中使用的各种试剂和原料均为市售产品,其中硝酸镍、乙二醇、丙酮为分析纯,氯化钯纯度为99%、石墨烯纯度为99.5%和浓硝酸的质量浓度为69%。
实施例1
本实施例制备一种石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料,其中所述纳米镍粒子、纳米钯粒子和石墨烯三者质量比为1:1:8,负载于石墨烯表面上的纳米镍粒子和钯粒子的平均粒度分别为21nm、9nm,其采用如下方法制备得到:
(1)将石墨烯纳米片放入浓HNO3溶液中,140℃下回流8h,冷却至室温后用去离子水洗至中性并烘干,其中烘干温度为80℃,得到功能化石墨烯粉末;
(2)将0.8g功能化石墨烯粉末和0.4955gNi(NO3)2·6H2O(镍与石墨烯的质量比为1:8)加入到30mL丙酮试剂中,超声混匀后烘干,其中烘干温度为80℃;将烘干后的粉末在400℃的氩气气氛中煅烧4h,然后在450℃的氢气气氛中还原4h,最后自然冷却至室温,得到石墨烯负载纳米镍粒子粉末;
(3)0.9g石墨烯负载纳米镍粒子粉末与30ml乙二醇试剂混合,超声1h混合均匀制得混合液;将0.1666gPdCl2粉末(石墨烯负载纳米镍粒子粉末中镍与钯含量质量比为1:1)与83ml去离子水混合,并在45℃下磁力搅拌1h制得PdCl2溶液;将混合液与PdCl2溶液混合在45℃下磁力搅拌4h,之后加入NaOH溶液调节pH值使其稍大于10,得到共混液;然后将共混液在110℃油浴下回流6h后,进行抽滤去除液体,再用去离子水反复洗涤至中性,最后在80℃下干燥8h后得到所述石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料。
从XRD图谱可以看出制备的复合材料的相成分为石墨烯、单质镍和单质钯,从TEM图谱可以看出制备的石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子颗粒尺寸较小,分布均匀,没有团聚现象,但颗粒数目很少。
本实施例制备的石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料的催化性能测试:取9.5g镁粉和0.5g石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料利用球磨法预处理,其中球磨过程在氩气气氛保护下进行,预处理球磨时间5h,球料比(即钢球质量与镁粉和石墨烯载镍和钯粉末两种原料的总质量之比)为20:1,转速为400r/min,得到镁/石墨烯载镍和钯粉末。将镁/石墨烯载镍和钯粉末进行氢化燃烧法合成,在合成过程中,镁/石墨烯载镍和钯粉末在2MPa氢气气氛下升温到580℃保温2h,然后降温至340℃保温4h,最后冷却至室温,得到粉末状的镁基储氢材料。取2g上述粉末状的镁基储氢材料放入球磨罐中,在0.1MPa氢气气氛下球磨10h,转速为400rpm,球料比为30:1,即可得到纳米镁基储氢材料。
利用本实施例提供的石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料制备的纳米镁基储氢材料在3.0MPa氢压、373K下,100s内吸氢无法达到饱和,吸氢量只能达到4.62wt.%。催化性能略低的主要原因是石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料中纳米镍粒子和钯粒子含量偏低。
实施例2
本实施例制备一种石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料,其中所述纳米镍粒子、纳米钯粒子和石墨烯三者质量比为1:1:3,负载于石墨烯表面上的纳米镍粒子和钯粒子的平均粒度分别为22nm、9nm,其采用如下方法制备得到:
(1)将石墨烯纳米片放入浓HNO3溶液中,140℃下回流8h,冷却至室温后用去离子水洗至中性并烘干,得到功能化石墨烯粉末;
(2)将0.6g功能化石墨烯粉末和0.9910gNi(NO3)2·6H2O(镍与石墨烯的质量比为1:3)加入到30mL丙酮试剂中,超声混匀后烘干;将烘干后的粉末在400℃的氩气气氛中煅烧4h,然后在450℃的氢气气氛中还原4h,最后自然冷却至室温,得到石墨烯负载纳米镍粒子粉末;
(3)0.8g石墨烯负载纳米镍粒子粉末与30mL乙二醇试剂混合,超声1h混合均匀制得混合液;将0.3332gPdCl2粉末(石墨烯负载纳米镍粒子粉末中镍与钯含量质量比为1:1)与166ml去离子水混合,并在45℃下磁力搅拌1h制得PdCl2溶液;将混合液与PdCl2溶液混合在45℃下磁力搅拌4h,之后加入NaOH溶液调节pH值使其稍大于10,得到共混液;然后将共混液在110℃油浴下回流6h后,进行抽滤去除溶剂,再用去离子水反复洗涤至中性,最后在80℃下干燥8h后得到所述石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料。
从XRD图谱可以看出制备的复合材料的相成分为石墨烯、单质镍和单质钯,从TEM图谱可以看出制备的石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子颗粒尺寸较小,分布均匀,没有团聚现象。
以与实施例1相同的方法对本实施例制备的石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料的催化性能测试。利用本实施例提供的石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料制备的纳米镁基储氢材料在3.0MPa氢压、373K下,100s内吸氢无法达到饱和,吸氢量只能达到5.21wt.%。
实施例3
本实施例制备一种石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料,其中所述纳米镍粒子、纳米钯粒子和石墨烯三者质量比为3:3:4,负载于石墨烯表面上的纳米镍粒子和钯粒子的平均粒度分别为24nm、12nm,其采用如下方法制备得到:
(1)将石墨烯纳米片放入浓HNO3溶液中,140℃下回流8h,冷却至室温后用去离子水洗至中性并烘干,得到功能化石墨烯粉末;
(2)将0.4g功能化石墨烯粉末和1.4865gNi(NO3)2·6H2O(镍与石墨烯的质量比为3:4)加入到30mL丙酮试剂中,超声混匀后烘干;将烘干后的粉末在400℃的氩气气氛中煅烧4h,然后在450℃的氢气气氛中还原4h,最后自然冷却至室温,得到石墨烯负载纳米镍粒子粉末;
(3)将0.7g石墨烯负载纳米镍粒子粉末与30mL乙二醇试剂混合,超声1h混合均匀制得混合液;将0.4998gPdCl2粉末(石墨烯负载纳米镍粒子粉末中镍与钯含量质量比为1:1)与250ml去离子水混合,并在45℃下磁力搅拌1h制得PdCl2溶液;将混合液与PdCl2溶液混合在45℃下磁力搅拌4h,之后加入NaOH溶液调节pH值使其稍大于10,得到共混液;然后将共混液在110℃油浴下回流6h后,进行抽滤去除溶剂,再用去离子水反复洗涤至中性,最后在80℃下干燥8h后得到所述石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料。
图1为本实施例中原料石墨烯、中间产物石墨烯负载纳米镍粒子粉末及最终产物石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料的X射线衍射(XRD)图谱,从图中可以看出复合材料的相成分为石墨烯、单质镍和单质钯。
图2是本实施例制备的中间产物石墨烯负载纳米镍粒子粉末的TEM图谱,从图中可以看出制备的纳米镍粒子尺寸为20nm左右,分布比较均匀。
图3是本实施例制备的最终产物石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料的TEM图谱,从图中可以看出纳米镍粒子和钯粒子的平均粒度分别为24nm、12nm,分散比较均匀,没有明显的团聚现象。
图4是本实施例制备的最终产物石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料的选区电子衍射图谱,从图中可以看出制备的复合材料衍射图谱由不同半径的同心圆环组成,因此其结构为纳米多晶结构。
以与实施例1相同的方法对本实施例制备的石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料的催化性能测试。利用本实施例提供的石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料制备的纳米镁基储氢材料在3.0MPa氢压、373K下,100s内能够达到饱和吸氢,饱和吸氢量达到6.53wt.%。本实施例催化剂性能较好,主要原因是石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料中纳米镍粒子和钯粒子含量较高,但也不是复合材料中纳米镍粒子和钯粒子的含量越高越好,复合材料中纳米镍粒子和钯粒子的含量过高会导致石墨烯的量降低,从而使催化剂的性能下降,本发明催化剂的催化性能好坏主要是由复合材料中纳米镍粒子、钯粒子和石墨烯的合理配比关系决定的。
实施例4
本实施例制备一种石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料,其中所述纳米镍粒子、纳米钯粒子和石墨烯三者质量比为3:3:4,负载于石墨烯表面上的纳米镍粒子和钯粒子的平均粒度分别为23nm、10nm,其采用如下方法制备得到:
(1)将石墨烯纳米片放入浓HNO3溶液中,140℃下回流8h,冷却至室温后用去离子水洗至中性并烘干,得到功能化石墨烯粉末;
(2)将0.4g功能化石墨烯粉末和1.4865gNi(NO3)2·6H2O(镍与石墨烯的质量比为3:4)加入到30mL丙酮试剂中,超声混匀后烘干;将烘干后的粉末在400℃的氩气气氛中煅烧4h,然后在450℃的氢气气氛中还原4h,最后自然冷却至室温,得到石墨烯负载纳米镍粒子粉末;
(3)将0.7g石墨烯负载纳米镍粒子粉末与30ML甲醛试剂混合,超声1h混合均匀制得混合液;将0.4998gPdCl2粉末(石墨烯负载纳米镍粒子粉末中镍与钯含量质量比为1:1)与250ml去离子水混合,并在45℃下磁力搅拌1h制得PdCl2溶液;将混合液与PdCl2溶液混合在45℃下磁力搅拌4h,之后加入NaOH溶液调节pH值使其稍大于10,得到共混液;然后将共混液在110℃油浴下回流6h后,进行抽滤去除溶剂,再用去离子水反复洗涤至中性,最后在80℃下干燥8h后得到所述石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料。
从XRD图谱可以看出制备的复合材料的相成分为石墨烯、单质镍和单质钯,单质钯的衍射峰的相对强度较实施例3较低,从TEM图谱可以看出制备的石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子颗粒尺寸较小,颗粒数目较实施例3少些,没有团聚现象,证明甲醛对Pd还原效果不如乙二醇。
以与实施例1相同的方法对本实施例制备的石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料的催化性能测试。利用本实施例提供的石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料制备的纳米镁基储氢材料在3.0MPa氢压、373K下,100s内吸氢仍然无法达到饱和,吸氢量只能达到4.93wt.%。
实施例5
本实施例制备一种石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料,其中所述纳米镍粒子、纳米钯粒子和石墨烯三者质量比为2:2:3,负载于石墨烯表面上的纳米镍粒子和钯粒子的平均粒度分别为22nm、9nm,其采用如下方法制备得到:
(1)将石墨烯纳米片放入浓HNO3溶液中,140℃下回流8h,冷却至室温后用去离子水洗至中性并烘干,得到功能化石墨烯粉末;
(2)将0.6g功能化石墨烯粉末和1.97gNi(NO3)2·6H2O(镍与石墨烯的质量比为2:3)加入到30mL丙酮试剂中,超声混匀后烘干;将烘干后的粉末在400℃的氩气气氛中煅烧4h,然后在450℃的氢气气氛中还原4h,最后自然冷却至室温,得到石墨烯负载纳米镍粒子粉末;
(3)1.0g石墨烯负载纳米镍粒子粉末与30mL乙二醇试剂混合,超声1h混合均匀制得混合液;将0.668gPdCl2粉末(石墨烯负载纳米镍粒子粉末中镍与钯含量质量比为1:1)与166ml去离子水混合,并在45℃下磁力搅拌1h制得PdCl2溶液;将混合液与PdCl2溶液混合在45℃下磁力搅拌4h,之后加入NaOH溶液调节pH值使其稍大于10,得到共混液;然后将共混液在110℃油浴下回流6h后,进行抽滤去除溶剂,再用去离子水反复洗涤至中性,最后在80℃下干燥8h后得到所述石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料。
从XRD图谱可以看出制备的复合材料的相成分为石墨烯、单质镍和单质钯,从TEM图谱可以看出制备的石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子颗粒尺寸较小,分布均匀,没有团聚现象。
以与实施例1相同的方法对本实施例制备的石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料的催化性能测试。利用本实施例提供的石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料制备的纳米镁基储氢材料在3.0MPa氢压、373K下,100s内吸氢达到饱和,吸氢量只能达到6.30wt.%。
对比例1
本对比例制备一种石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料,其中所述纳米镍粒子、纳米钯粒子和石墨烯三者质量比为3:3:4,负载于石墨烯表面上的纳米镍粒子和钯粒子的平均粒度分别为26nm、7nm,其采用如下方法制备得到:
(1)将石墨烯纳米片放入浓HNO3溶液中,140℃下回流8h,冷却至室温后用去离子水洗至中性并烘干,得到功能化石墨烯粉末;
(2)将0.4g功能化石墨烯粉末和1.4865gNi(NO3)2·6H2O(镍与石墨烯的质量比为3:4)加入到30mL丙酮试剂中,超声混匀后烘干;将烘干后的粉末在400℃的氩气气氛中煅烧4h,然后在450℃的氢气气氛中还原4h,最后自然冷却至室温,得到石墨烯负载纳米镍粒子粉末;
(3)将0.7g石墨烯负载纳米镍粒子粉末与乙二醇试剂混合,超声1h混合均匀制得混合液;将0.4998gPdCl2粉末(石墨烯负载纳米镍粒子粉末中镍与钯含量质量比为1:1)与250ml去离子水混合,并在45℃下磁力搅拌1h制得PdCl2溶液;将混合液与PdCl2溶液混合在45℃下磁力搅拌4h,之后加入NaOH溶液调节pH值使其为9.1左右,得到共混液;然后将共混液在110℃油浴下回流6h后,进行抽滤去除溶剂,再用去离子水反复洗涤至中性,最后在80℃下干燥8h后得到所述石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子复合材料。
从XRD图谱可以看出本对比例制备的复合材料的相成分为石墨烯、单质镍和单质钯,单质钯的衍射峰的相对强度较实施例3低很多,从TEM图谱可以看出制备的石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子颗粒尺寸较小,颗粒数目较实施例3少很多,说明Pd的还原量很低,没有团聚现象,由此证明pH值维持在10以上对Pd的还原至关重要,必须调节pH值在10左右才有利于Pd粒子的还原,该对比例的催化剂的催化性能差。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子的复合材料,其特征在于,所述复合材料是在石墨烯表面上负载有形貌规整、粒径分布均匀的纳米镍粒子和纳米钯粒子,其中,在所述复合材料中,所述石墨烯的质量百分比为40%~80%,所述纳米镍粒子的质量百分比为10%~30%,所述纳米钯粒子的质量百分比为10%~30%。
2.根据权利要求1所述的复合材料,其特征在于,在所述复合材料中,所述纳米镍粒子与所述石墨烯的质量比为0.125-0.8:1;优选地,在所述复合材料中,所述纳米镍粒子与所述纳米钯粒子的质量比为1:1。
3.根据权利要求1所述的复合材料,其特征在于,在所述复合材料中,所述纳米镍粒子的平均粒度为20-28nm,所述纳米钯粒子的平均粒度为6-14nm。
4.权利要求1至3任一所述的石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子的复合材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一,石墨烯负载纳米镍粒子粉末的制备;
步骤二,首先,将所述石墨烯负载纳米镍粒子粉末和有机溶剂形成的溶液与Pd源溶液共混并调节pH值至10-14,从而得到共混液;然后,将所述共混液在110-140℃条件下回流5-7h,之后将得到的回流产物抽滤,再对抽滤后得到的固体产物进行洗涤、干燥处理,得到所述石墨烯负载纳米镍粒子和钯粒子的复合材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述步骤一中,所述石墨烯负载纳米镍粒子粉末的制备包括如下步骤:
S1,将石墨烯粉末加入浓HNO3溶液中,在130-170℃下回流4-8h,冷却后将得到固体产物洗涤至中性并烘干,得到功能化石墨烯粉末;
S2,先将所述功能化石墨烯粉末与Ni源混合,再加入到分散剂中,超声混合均匀后烘干;然后将烘干后的粉末在氩气气氛中进行煅烧处理,再在氢气气氛中进行还原处理,最后自然冷却至室温,得到所述石墨烯负载纳米镍粒子粉末。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤一中,所述Ni源中的Ni与所述功能化石墨烯粉末的质量比为0.125-0.8:1。
7.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤一中,所述分散剂为丙酮或乙醇。
8.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤一中,所述煅烧处理的温度为350-450℃、时间为3-5h;所述还原处理的温度为400-500℃、时间为3-5h;优选地,所述煅烧处理的温度为380-420℃,所述还原处理的温度为430-470℃。
9.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤二中,所述有机溶剂为乙二醇、甲醛、乙醇和丙三醇中的至少一种;优选地,所述Pd源为PdCl2、Pd(NO3)2和PdSO4中的至少一种;所述Ni源为Ni(NO3)2·6H2O。
10.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,在所述步骤二中,所述共混液的pH值为10-12;所述回流的温度为120-130℃;所述干燥处理的温度为80-90℃,干燥时间为6-8h。
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