專利名稱：一種燃料電池用石墨烯/FePt納米催化劑的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種燃料電池用石墨烯/FePt 納米催化劑的制備方法。
背景技術(shù)：
石墨烯是一種由Sp2雜化的碳原子以六邊形排列形成的周期性蜂窩狀二維炭質(zhì)新 材料，即單層石墨晶體，其厚度只有0.335 nm。2004年曼切斯特大學(xué)物理學(xué)教授A. K. Geim 等用膠帶剝離石墨晶體首次獲得了石墨烯。石墨烯是構(gòu)建其他維度碳質(zhì)材料(如零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨晶體) 的基本結(jié)構(gòu)單元。石墨烯材料的理論比表面積高達2630 m2/g，具有突出的導(dǎo)熱性能和力 學(xué)性能，室溫下的電子遷移率高達15000 cm2/ (V· s)；石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)使其具有完美的 量子隧道效應(yīng)、半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)、從不消失的電導(dǎo)率等一系列性質(zhì)；在過去短短幾年 內(nèi)，石墨烯已充分展現(xiàn)出其在理論研究和實際應(yīng)用方面的無窮魅力，迅速成為材料科學(xué)和 凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最為活躍的研究熱點。隨著煤、石油等化石能源的日益枯竭，人類社會正面臨著越來越嚴重的能源危機； 在使用化石能源的過程中，所產(chǎn)生的硫化物、氮氧化物以及碳氧化物等污染氣體已經(jīng)給環(huán) 境帶來了巨大的破壞。燃料電池作為一種可再生、清潔無污染的新型能源正受到越來越多 的關(guān)注；作為燃料電池最重要組件之一的催化劑密切關(guān)系到燃料電池的性能指標，一直以 來都是燃料電池和催化劑科研工作者的研究重點，由于貴金屬Pt在低溫條件下(小于80 °C)具有優(yōu)異的催化性能，目前燃料電池催化劑多以Pt為主要成分，但由于貴金屬Pt價格 昂貴，資源奇缺，增加了燃料電池的制造成本，這在很大程度上阻礙了燃料電池的工業(yè)化進 程；為此，降低貴金屬用量、同時提高催化劑的催化活性和抗中毒能力，是燃料電池研究的 一個緊迫任務(wù)；目前的研究主要集中在復(fù)合催化劑、催化劑載體的研制等方面，復(fù)合催化劑 的研究主要是制備多元合金納米催化劑，以減少貴金屬Pt的負載量，例如在鉬中添加Ru、 Co、Ni、Fe、Cr、Sn、W等其他金屬元素，研究表明合金往往比純Pt具有更好的催化性能；目 前，載體一般都是選擇導(dǎo)電性好、比表面積高的碳質(zhì)材料，如石墨、炭黑、碳納米管等；其中 碳納米管由于其大的比表面積和優(yōu)良的電學(xué)、力學(xué)及吸附性能，已被證明是一種優(yōu)良的燃 料電池催化劑載體，與碳納米管相比，石墨烯生產(chǎn)成本更低、性能更優(yōu)，因此，用石墨烯作為 燃料電池催化劑的載體，具有很好的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明已經(jīng)考慮到現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的問題，目的在于提供一種燃料電池用石墨烯 /FePt納米催化劑的制備方法，采用如下技術(shù)方案
1)以天然鱗片石墨為原料，用Hummers法將其氧化得到氧化石墨；2)將氧化石墨、等物質(zhì)的量的氯鉬酸與硝酸鐵一起超聲溶解于去離子水中，其中氧化 石墨的濃度為0. 3^0. 5 g/L，氯鉬酸與硝酸鐵的濃度為0. 5^0. 7 mmol/L ；
3)向上述體系中滴加質(zhì)量分數(shù)為85%的水合胼，每升溶液滴加水合胼的用量為壙10
mL ；
4)用質(zhì)量分數(shù)為28%的氨水調(diào)節(jié)溶液pH值至1(Γ10.5，于120 °C下油浴加熱，在氮 氣保護下攪拌回流反應(yīng)2. 5^3 h ；
5)待反應(yīng)體系冷卻后過濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將固體產(chǎn)物干燥得到石 墨烯/FePt納米催化劑。本發(fā)明簡單易行、適合大規(guī)模生產(chǎn)，制備的石墨烯/FePt納米復(fù)合材料作為燃料 電池的新型催化劑，可以減少貴金屬鉬的負載量，提高催化性能。


圖1為本發(fā)明實施例1制備的石墨烯/FePt納米催化劑的X-射線衍射(XRD)圖 譜，其中橫坐標為衍射角(2 θ )，單位為度(°)，縱坐標為衍射強度，單位為cpS ；
圖2本發(fā)明實施例1制備的石墨烯/FePt納米催化劑的能譜(EDS)分析。其中橫坐標 為能量，單位為KeV，縱坐標為強度，單位為cps ；
圖3為本發(fā)明實施例1制備的石墨烯/FePt納米催化劑的透射電鏡(TEM)照片。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例做詳細的說明，但本發(fā)明的保護范圍不限于這些 實施例。實施例1
取40 mg用Hummers法制備得到的氧化石墨、0. 06 mmol氯鉬酸及0. 06 mmol硝酸鐵， 超聲溶解于100 mL去離子水中，滴加0.8 mL質(zhì)量分數(shù)為85 %的水合胼，并用質(zhì)量分數(shù)為 28 %的氨水調(diào)節(jié)溶液pH值為10，用油浴120 °C加熱，氮氣保護下攪拌回流反應(yīng)3 h，冷卻 后過濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將產(chǎn)物干燥；由圖1產(chǎn)物的XRD圖可知，圖中除 了石墨烯與Pt的衍射峰外，未出現(xiàn)Fe或Fe2O3的峰，表明生成了 FePt合金；由圖2產(chǎn)物的 EDS分析表明，樣品中含有Fe元素，且Fe、Pt元素的物質(zhì)的量比為1 1，與原料的投入量吻 合，C、0元素來源于石墨烯；在圖3中可以看出，F(xiàn)ePt納米粒子緊密的附著在石墨烯片的表 面，且排布較為均勻，附著效果好，說明產(chǎn)物為石墨烯/FePt納米復(fù)合材料。實施例2:
取30 mg用Hummers法制備得到的氧化石墨、0. 05 mmol氯鉬酸與0. 05 mmol硝酸鐵， 超聲溶解于100 mL去離子水中，滴加0.8 mL質(zhì)量分數(shù)為85 %的水合胼，并用質(zhì)量分數(shù)為 28 %氨水調(diào)節(jié)溶液pH值為10，用油浴120 °C加熱，氮氣保護下攪拌回流反應(yīng)2. 5 h，冷卻 后過濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將產(chǎn)物干燥得到石墨烯/FePt納米復(fù)合材料。實施例3:
取30 mg用Hummers法制備得到的氧化石墨、0. 05 mmol氯鉬酸與0. 05 mmol硝酸鐵， 超聲溶解于100 mL去離子水中，滴加1 mL質(zhì)量分數(shù)為85 %的水合胼，并用質(zhì)量分數(shù)為28 %氨水調(diào)節(jié)溶液PH值為10，用油浴120 °C加熱，氮氣保護下攪拌回流反應(yīng)2. 5 h，冷卻后過濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將產(chǎn)物干燥得到石墨烯/FePt納米復(fù)合材料。實施例4:
取30 mg用Hummers法制備得到的氧化石墨、0. 05 mmol氯鉬酸與0. 05 mmol硝酸鐵， 超聲溶解于100 mL去離子水中，滴加0.8 mL質(zhì)量分數(shù)為85 %的水合胼，并用質(zhì)量分數(shù)為 28 %氨水調(diào)節(jié)溶液pH值為10. 5，用油浴120 °C加熱，氮氣保護下攪拌回流反應(yīng)2. 5 h，冷 卻后過濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將產(chǎn)物干燥得到石墨烯/FePt納米復(fù)合材料。實施例5:
取30 mg用Hummers法制備得到的氧化石墨、0. 05 mmol氯鉬酸與0. 05 mmol硝酸鐵， 超聲溶解于100 mL去離子水中，滴加0.8 mL質(zhì)量分數(shù)為85 %的水合胼，并用質(zhì)量分數(shù)為 28 %氨水調(diào)節(jié)溶液pH值為10，用油浴120 °C加熱，氮氣保護下攪拌回流反應(yīng)3 h，冷卻后 過濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將產(chǎn)物干燥得到石墨烯/FePt納米復(fù)合材料。實施例6:
取50 mg用Hummers法制備得到的氧化石墨、0. 05 mmol氯鉬酸與0. 05 mmol硝酸鐵， 超聲溶解于100 mL去離子水中，滴加0.8 mL質(zhì)量分數(shù)為85 %的水合胼，并用質(zhì)量分數(shù)為 28 %氨水調(diào)節(jié)溶液pH值為10，用油浴120 °C加熱，氮氣保護下攪拌回流反應(yīng)2. 5 h，冷卻 后過濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將產(chǎn)物干燥得到石墨烯/FePt納米復(fù)合材料。實施例7:
取50 mg用Hummers法制備得到的氧化石墨、0. 05 mmol氯鉬酸與0. 05 mmol硝酸鐵， 超聲溶解于100 mL去離子水中，滴加1 mL質(zhì)量分數(shù)為85 %的水合胼，并用質(zhì)量分數(shù)為28 %氨水調(diào)節(jié)溶液PH值為10，用油浴120 °C加熱，氮氣保護下攪拌回流反應(yīng)2. 5 h，冷卻后過 濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將產(chǎn)物干燥得到石墨烯/FePt納米復(fù)合材料。實施例8:
取50 mg用Hummers法制備得到的氧化石墨、0. 05 mmol氯鉬酸與0. 05 mmol硝酸鐵， 超聲溶解于100 mL去離子水中，滴加0.8 mL質(zhì)量分數(shù)為85 %的水合胼，并用質(zhì)量分數(shù)為 28 %氨水調(diào)節(jié)溶液pH值為10. 5，用油浴120 °C加熱，氮氣保護下攪拌回流反應(yīng)2. 5 h，冷 卻后過濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將產(chǎn)物干燥得到石墨烯/FePt納米復(fù)合材料。實施例9:
取50 mg用Hummers法制備得到的氧化石墨、0. 05 mmol氯鉬酸與0. 05 mmol硝酸鐵， 超聲溶解于100 mL去離子水中，滴加0.8 mL質(zhì)量分數(shù)為85 %的水合胼，并用質(zhì)量分數(shù)為 28 %氨水調(diào)節(jié)溶液pH值為10，用油浴120 °C加熱，氮氣保護下攪拌回流反應(yīng)3 h，冷卻后 過濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將產(chǎn)物干燥得到石墨烯/FePt納米復(fù)合材料。實施例10
取30 mg用Hummers法制備得到的氧化石墨、0. 07 mmol氯鉬酸與0. 07 mmol硝酸鐵， 超聲溶解于100 mL去離子水中，滴加0.8 mL質(zhì)量分數(shù)為85 %的水合胼，并用質(zhì)量分數(shù)為 28 %氨水調(diào)節(jié)溶液pH值為10，用油浴120 °C加熱，氮氣保護下攪拌回流反應(yīng)2. 5 h，冷卻 后過濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將產(chǎn)物干燥得到石墨烯/FePt納米復(fù)合材料。實施例11
取30 mg用Hummers法制備得到的氧化石墨、0. 07 mmol氯鉬酸與0. 07 mmol硝酸鐵， 超聲溶解于100 mL去離子水中，滴加1 mL質(zhì)量分數(shù)為85 %的水合胼，并用質(zhì)量分數(shù)為28%氨水調(diào)節(jié)溶液PH值為10，用油浴120 °C加熱，氮氣保護下攪拌回流反應(yīng)2. 5 h，冷卻后過 濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將產(chǎn)物干燥得到石墨烯/FePt納米復(fù)合材料。實施例12
取30 mg用Hummers法制備得到的氧化石墨、0. 07 mmol氯鉬酸與0. 07 mmol硝酸鐵， 超聲溶解于100 mL去離子水中，滴加0.8 mL質(zhì)量分數(shù)為85 %的水合胼，并用質(zhì)量分數(shù)為 28 %氨水調(diào)節(jié)溶液pH值為10. 5，用油浴120 °C加熱，氮氣保護下攪拌回流反應(yīng)2. 5 h。冷 卻后過濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將產(chǎn)物干燥得到石墨烯/FePt納米復(fù)合材料。實施例13
取30 mg用Hummers法制備得到的氧化石墨、0. 07 mmol氯鉬酸與0. 07 mmol硝酸鐵， 超聲溶解于100 mL去離子水中，滴加0.8 mL質(zhì)量分數(shù)為85 %的水合胼，并用質(zhì)量分數(shù)為 28 %氨水調(diào)節(jié)溶液pH值為10，用油浴120 °C加熱，氮氣保護下攪拌回流反應(yīng)3 h，冷卻后 過濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將產(chǎn)物干燥得到石墨烯/FePt納米復(fù)合材料。實施例14
取50 mg用Hummers法制備得到的氧化石墨、0. 07 mmol氯鉬酸與0. 07 mmol硝酸鐵， 超聲溶解于100 mL去離子水中，滴加0.8 mL質(zhì)量分數(shù)為85 %的水合胼，并用質(zhì)量分數(shù)為 28 %氨水調(diào)節(jié)溶液pH值為10，用油浴120 °C加熱，氮氣保護下攪拌回流反應(yīng)2. 5 h，冷卻 后過濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將產(chǎn)物干燥得到石墨烯/FePt納米復(fù)合材料。實施例15
取50 mg用Hummers法制備得到的氧化石墨、0. 07 mmol氯鉬酸與0. 07 mmol硝酸鐵， 超聲溶解于100 mL去離子水中，滴加1 mL質(zhì)量分數(shù)為85 %的水合胼，并用質(zhì)量分數(shù)為28 %氨水調(diào)節(jié)溶液PH值為10，用油浴120 °C加熱，氮氣保護下攪拌回流反應(yīng)2. 5 h，冷卻后過 濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將產(chǎn)物干燥得到石墨烯/FePt納米復(fù)合材料。實施例16
取50 mg用Hummers法制備得到的氧化石墨、0. 07 mmol氯鉬酸與0. 07 mmol硝酸鐵， 超聲溶解于100 mL去離子水中，滴加0.8 mL質(zhì)量分數(shù)為85 %的水合胼，并用質(zhì)量分數(shù)為 28 %氨水調(diào)節(jié)溶液pH值為10. 5，用油浴120 °C加熱，氮氣保護下攪拌回流反應(yīng)2. 5 h，冷 卻后過濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將產(chǎn)物干燥得到石墨烯/FePt納米復(fù)合材料。實施例17
取50 mg用Hummers法制備得到的氧化石墨、0. 07 mmol氯鉬酸與0. 07 mmol硝酸鐵， 超聲溶解于100 mL去離子水中，滴加0.8 mL質(zhì)量分數(shù)為85 %的水合胼，并用質(zhì)量分數(shù)為 28 %氨水調(diào)節(jié)溶液pH值為10，用油浴120 °C加熱，氮氣保護下攪拌回流反應(yīng)3 h，冷卻后 過濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將產(chǎn)物干燥得到石墨烯/FePt納米復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池用石墨烯/FePt納米催化劑的制備方法，其特征在于以氧化石墨、氯 鉬酸和硝酸鐵為反應(yīng)物，以水合胼作為還原劑，以水作為反應(yīng)介質(zhì)，在氮氣保護下回流反應(yīng) 制備燃料電池用石墨烯/FePt納米催化劑。
2.如權(quán)利要求1所述的一種燃料電池用石墨烯/FePt納米催化劑的制備方法，其特征 在于，包括以下步驟1)將氧化石墨、等物質(zhì)的量的氯鉬酸與硝酸鐵一起超聲溶解于去離子水中，其中氧化石墨的濃度為0. 3^0. 5 g/L，氯鉬酸與硝酸鐵的濃度為0. 5^0. 7 mmol/L ；2)向上述體系中滴加質(zhì)量分數(shù)為85%的水合胼，每升溶液滴加水合胼的用量為壙10mL ；3)調(diào)節(jié)溶液pH值至1(Γ10.5，于120°C下油浴加熱，在氮氣保護下攪拌回流反應(yīng) 2. 5 3h；4)待反應(yīng)體系冷卻后，過濾，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將固體產(chǎn)物干燥得到石墨烯/FePt納米催化劑。
3.如權(quán)利要求2所述的一種燃料電池用石墨烯/FePt納米催化劑的制備方法，其特征 在于采用質(zhì)量分數(shù)為28 %的氨水調(diào)節(jié)溶液pH值。
4.如權(quán)利要求1或2所述的一種燃料電池用石墨烯/FePt納米催化劑的制備方法，其 特征在于制備發(fā)燃料電池用石墨烯/FePt納米催化劑中FePt合金納米粒子緊密的附著在石墨烯片的表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池用石墨烯/FePt納米催化劑的制備方法，屬于納米復(fù)合材料制備領(lǐng)域。主要步驟是以天然鱗片石墨為原料，用Hummers法將其氧化得到氧化石墨，將氧化石墨、等物質(zhì)的量的氯鉑酸與硝酸鐵一起超聲溶解于去離子水中，加入水合肼并用氨水調(diào)節(jié)溶液pH值為10~10.5，于120℃下油浴加熱，在氮氣保護下回流反應(yīng)2.5~3h，收集沉淀并洗滌、干燥后得到石墨烯/FePt納米催化劑。本發(fā)明可減少燃料電池催化劑中貴金屬鉑的負載量，從而降低燃料電池的生產(chǎn)成本；且該制備方法簡單易行，適合大規(guī)模生產(chǎn)，是一種制備燃料電池催化劑的嶄新方法。
文檔編號B01J23/89GK102000590SQ20101052343
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者季振源, 柏嵩, 沈小平 申請人:江蘇大學(xué)