[发明专利]一种硫掺杂石墨烯催化材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硫掺杂石墨烯催化材料及其制备方法，其由如下质量百分比的原料组分通过水热合成法制成：石墨粉0.20～0.85wt％、硝酸钠0.30～0.60wt％、高锰酸钾1.50～2.60wt％、浓硫酸14.00～18.50wt％、过硫酸盐0.01～0.07wt％、双氧水24.00～30.00wt％，余量为水，其中硫原子以边缘负载的单一形态负载于由碳六元环组成石墨烯结构中。本发明可满足材料在经济成本及机理研究方面的多方位需求，无论在科学研究还是催化产业应用方面均具有广阔前景。

技术领域

本发明属于石墨烯催化剂技术领域，具体涉及一种硫掺杂石墨烯催化材料及其制备方法。

背景技术

2004年，石墨烯材料成功制备以来，因其具有大比表面积、高机械强度与柔韧性、强导电能力等特性成为电极材料的主要基体之一。石墨烯材料的特殊结构，使其既有金属材料的特性(消失的费米面)又有半导体材料的特性(零能隙)。目前，以石墨烯为基体的催化材料已经应用于光催化、电催化、化学催化等领域。然而，由于石墨烯材料的非先天性能带间隙，导致其存在易堆叠，易导致负载颗粒团聚与边缘负载等缺陷。

杂原子掺杂石墨烯催化材料能够改善现有石墨烯材料的电磁、物理化学、光学、结构及催化特性。就硫掺杂位置而言，其掺杂形态可以区分为边缘负载硫、表面吸附硫及片层连接硫。其中边缘负载是硫原子或硫氧基团位于石墨烯结构的边缘，取代一个碳原子和两个碳原子相连进行sp²杂化，由于C-S()和C-C()键的键长相差较大，导致掺杂硫原子与碳原子所处平面产生约的高度差，形成非平面结构的杂化。另外，当硫原子吸附于石墨烯材料表面，与两个碳原子相连，可以形成表面吸附型掺杂。硫原子可以分别与石墨烯材料边缘碳原子相连，形成八元环结构，成为两层石墨烯结构的连接桥梁。现阶段进行硫原子的石墨烯掺杂研究中，无法有效控制单一形态的硫掺杂，掺杂材料多以边缘负载硫、表面吸附硫及片层连接硫的复合形态而存在，导致对于各形态掺杂硫的催化活性及功能无法进行区分。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种硫掺杂石墨烯催化材料及其制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述硫掺杂石墨烯催化材料的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种硫掺杂石墨烯催化材料，由如下质量百分比的原料组分通过水热合成法制成：石墨粉0.20～0.85wt％、硝酸钠0.30～0.60wt％、高锰酸钾1.50～2.60wt％、浓硫酸14.00～18.50wt％、过硫酸盐0.01～0.07wt％、双氧水24.00～30.00wt％，余量为水，其中硫原子以边缘负载的单一形态负载于由碳六元环组成石墨烯结构中。

在本发明的一个优选实施方案中，由如下质量百分比的原料组分通过水热合成法制成：石墨粉0.25～0.84wt％、硝酸钠0.30～0.55wt％、高锰酸钾1.51～2.55wt％、浓硫酸14.22～18.21wt％、过硫酸盐0.01～0.05wt％、双氧水24.38～29.96wt％，余量为水。

进一步优选的，所述过硫酸盐为过一硫酸钠或过二硫酸钠和过硫酸铵。

一种上述硫掺杂石墨烯催化材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)称取各原料组分；

(2)将浓硫酸、石墨粉、硝酸钠和水溶液置于0～5℃的冰浴中充分混合溶解后，缓慢加入高锰酸钾，恒温反应0.5～2h，得混合溶液；

(3)将上述混合溶液置于的油浴中，恒温反应0.5～1h后，再加入双氧水去除氧化剂残余；

(4)将步骤(3)所得的物料在室温下搅拌均匀，缓慢加入过硫酸盐，充分混合后，封入高压反应釜中进行反应，反应时间为1.3～6.2h，反应温度为，即得所述硫掺杂石墨烯催化材料。