[发明专利]一种三金属合金负载型石墨烯纳米孔材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种三金属合金负载型石墨烯纳米孔材料及其制备方法和应用，它将该复合材料制备成电极，能用于催化氧还原反应。

背景技术

质子交换膜燃料电池是可持续能源领域研究最广泛的技术之一。但是，该装置的阴极氧还原反应（ORR）动力学缓慢，Pt/C催化剂成本较高，阻碍了其商业化应用。因此，在维持ORR较好催化活性和稳定性的同时减少Pt的使用至关重要。将Pt与过渡金属复合是实现这一目标的绝佳方法，该方法不仅可以降低Pt的用量，还可以改善ORR催化活性。原因在于过渡金属的特性使得Pt的d带中心向低能级移动并弱化Pt与氧化中间体的键能。与二元Pt-M合金相比，三元Pt-M合金表现出更好地ORR催化性能。关于Pt基合金的合成已经取得了很大的进展，但是，早期的研究中过渡金属易于分解，并且稳定性满足不了人们的要求。因此，设计和合成满足人们需求的高活性和稳定性的三元金属Pt-M显得极为重要。

金属纳米颗粒和载体之间的相互作用对催化剂的活性和稳定性有显著影响。金属纳米米粒子包覆在碳载体上引起了人们的极大兴趣，因为这不仅保护金属离子不被溶解掉进而增加催化剂的抗腐蚀性，还可以结合金属纳米粒子与碳载体固有的化学性质进而产生新的特性。有关将金属纳米粒子包覆在碳载体上的方法已有很多报道。但是，将金属包在碳纳米孔作为高效的电催化剂的研究较少。独特的碳纳米孔结构暴露出特定的和有限的表面，并且反应物分子只能接触限制在碳纳米孔中的活性金属位点，从而与传统的碳载催化剂相比产生不同的催化性能。因此，应当开发容易和精细的合成方法以获得包封在碳纳米孔结构中的金属纳米颗粒用于催化研究。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种三金属合金负载型石墨烯纳米孔材料及其制备方法和应用，它将该复合材料修饰到电击上，用于催化氧还原反应。

所述的一种三金属合金负载型石墨烯纳米孔材料，其特征在于该材料由三种金属合金纳米粒子通过焙烧均匀分布在石墨烯纳米孔载体的边缘得到，所述三种金属合金纳米粒子为含有丰富N源的酞菁金属前躯体，其N源质量百分含量为1-8%，在焙烧的过程中促进N掺杂到石墨烯纳米孔载体上。

所述的三金属合金负载型石墨烯纳米孔材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1）将石墨烯超声分散于水中，得到石墨烯溶液；

2）向步骤1）的石墨烯溶液中加入三种酞菁金属前躯体、三联吡啶，超声并搅拌均匀后，装入水热釜中于120-180℃下水热反应6-24小时，冷却至室温后进行减压抽滤，然后滤饼用蒸馏水和乙醇洗涤，再在60-100℃下真空干燥，得到三金属负载型石墨烯材料；

3）将步骤2）得到的三金属负载型石墨烯材料在惰性气氛下进行高温焙烧处理，得到三金属合金负载型石墨烯纳米孔材料。

所述的一种三金属合金负载型石墨烯纳米孔材料的制备方法，其特征在于步骤1）中的石墨烯溶液中石墨烯的浓度为0.4-1mg/mL。

所述的一种三金属合金负载型石墨烯纳米孔材料的制备方法，其特征在于步骤2）中的酞菁金属为酞菁铂、酞菁钴、酞菁铁、酞菁镍、酞菁铜中的任意三种，三种金属的摩尔比为1-3:1-3:1-3，优选的三种酞菁金属组合为Pt:Fe:Co、Pt:Fe:Cu、Pt:Co:Cu、Pt:Fe:Ni、Pt:Co:Ni或Pt:Cu:Ni，其投料摩尔比优选为3:1:1。

所述的一种三金属合金负载型石墨烯纳米孔材料的制备方法，其特征在于步骤2）中三联吡啶是酞菁金属与石墨烯复合的辅助材料，三联吡啶与石墨烯的投料质量比为1:0.3-0.4，优选为1:0.35。

所述的一种三金属合金负载型石墨烯纳米孔材料的制备方法，其特征在于步骤3）中的惰性气氛为氮气、氩气或氦气，惰性气体流量为20-100mL/min，优选为40mL/min。

所述的一种三金属合金负载型石墨烯纳米孔材料的制备方法，其特征在于步骤3）中的高温焙烧处理具体为：以1-10℃/min的速率升温至600-800℃，保温1-6小时，最后自然降至室温，优选保温时间为2小时。

所述的三金属合金负载型石墨烯纳米孔材料在催化氧气还原反应中的应用。

所述的应用，其特征在于将三金属合金负载型石墨烯纳米孔材料制备成电极，用于催化氧气还原反应。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：