[发明专利]一种石墨烯/聚离子液体基碳材料的制备及应用

说明书

本发明公开了一种氧化石墨烯/聚离子液体复合碳材料的制备，本发明以聚离子液体为氮源和硫源，将其与氧化石墨烯进行复合，经去质子化得到静电交联的前驱体材料，进一步碳化得到N、S共掺杂的多孔GCs碳材料。通过TEM，XRD，XPS，BET，Raman等表征测试，发现复合碳材料具有很很高的比表面积高达723.61 m²g^‑1，为介孔材料。电化学测试表明所得碳材料在析氢反应和析氧反应中都表现出了优异的催化活性，因此，在析氢反应和析氧反应中具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种复合碳材料的制备，尤其涉及一种以聚离子液体（PCMVImTf2N）与氧化石墨烯（GO）为原料制备石墨烯/聚离子液体复合碳材料的方法，主要作为催化剂用于电解水制氢反应中。

背景技术

氢是一种来源丰富、可再生且环境友好的清洁燃料，被认为是当今化石燃料的理想替代品。在众多制氢方法中，电解水制氢由于低成本、操作设备简单且产生的氢纯度高而备受广大学者关注。众所周知，Pt是析氢反应的高效电催化剂。然而，由于其储存量少和价格昂贵，Pt 基催化剂目前仍无法广泛使用。因此，开发廉价且可大规模生产的析氢反应催化剂是当前新能源研究的热点方向之一。目前，钼基硫化物、氮化物、碳化物和硒化物（例如：MoS2，Mo2C，Ni-Mo-N，MoSe2），钴/镍基的金属硫化物、硒化物、磷化物（如：CoS2，CoSe2，CoP，Ni12P5）和其它金属硫化物（TiS2，TaS2）等都在析氢反应中表现出了较好的催化活性。但基于能源的可持续性及环境友好性考虑，开发高效、廉价且可大规模生产的非金属催化剂是一个更为理想的策略。

石墨烯具有比表面积大、机械强度高、导电性好等诸多优点，因此是一种理想的电化学反应电极材料。但目前的研究表明石墨烯在氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）及析氢反应（HER）等电化学过程中的催化活性非常低，为了降低这些反应的电极超电势，往往需要将石墨烯与不同的材料进行复合。最近研究表明，硼/氮、氮/硫、氮/磷等杂原子共掺杂的石墨烯和石墨烯碳材料能够显著改善石墨烯在析氢反应和析氧反应中的催化活性。

发明内容

本发明的目的是提供一种氧化石墨烯/聚离子液体复合碳材料的制备方法；

本发明的另一目的是对上述氧化石墨烯/聚离子液体复合碳材料作为催化剂用于析氢反应的催化活性进行研究。

一、石墨烯/聚离子液体复合碳材料的制备

将氧化石墨烯GO和聚离子液体PCMVImTf2N超声分散于DMSO中形成均匀溶液；将溶液转移到培养皿中，在70~80℃常压干燥3~4 h，挥发除去溶剂DMSO；得到的固体复合物浸泡在质量浓度为0.2 ~1% 的氨水溶液中1~2 h，得到静电交联的前驱体材料；然后将前驱体材料置于管式炉中，在惰性气体（氩气）保护下进行高温碳化，即得石墨烯/聚离子液体复合碳材料，标记为GCs。为了便于研究，标记为GC-X，X代表PCMVImTf2N 与GO的质量比。

氧化石墨烯GO与聚离子液体PCMVImTf2N的质量比为1:5~1:9，优选1:7。

前驱体材料的碳化碳化温度为800~1000℃，碳化时间为5~7h：

为了能够调控复合碳材料的孔结构并得到较好形貌，采取分段升温方式：先从室温升温至300℃并保持0.5~1 h，升温速率3℃/min；然后从300℃升温至1000℃保持0.5~1h，升温速度为3℃/min；最后自然冷却至室温。

二、石墨烯/聚离子液体复合碳材料的结构

1、SEM和TEM分析