[发明专利]一种石墨烯负载金属纳米岛催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开一种石墨烯负载金属纳米岛催化剂及其制备方法与应用，其中，制备方法包括步骤：将石墨烯与渗透剂分散在去离子水中，混合制得石墨烯分散液；向所述石墨烯分散液中加入金属离子化合物，混合得到石墨烯混合浆料；对所述石墨烯混合浆料进行加热处理，使所述金属离子还原生成金属纳米岛并附着在石墨烯层与层之间，制得所述石墨烯负载金属纳米岛催化剂。通过本发明制备方法制得的石墨烯负载金属纳米岛催化剂在催化过程中不容易发生团聚，且循环稳定性强；所述石墨烯负载金属纳米岛催化剂应用于金属空气电池和燃料电池后，可以显著降低氧阴极的过电势，提高氧阴极的反应速率和长期循环稳定性。

技术领域

本发明涉及金属纳米催化剂领域，尤其涉及一种石墨烯负载金属纳米岛催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

过去二十年中，新材料、电极制备工艺和电池体系的系统优化促进了锂离子电池性能的不断提升，除用于便携式电子设备外，锂离子电池正逐步取代其它二次电池，在电动汽车和打大型储能设备等支柱型产业中发挥越来越大的作用。例如，为进一步推动电动汽车走进千家万户，政府对车企进行大规模补贴，同时在全国范围内建立了多个试点工程，逐步进行推广应用。然而，传统锂离子电池的能量密度已经接近理论值（150Wh/kg），其提升空间有限，难以满足电动汽车进一步提供续航里程的要求。为了进一步提高电池体系的能量密度，一些新体系相继被开发出来，例如锂硫电池、金属空气电池和燃料电池等等，相关基础研究和开发已经成为国内外前沿研究热点。

燃料电池和金属空气电池均涉及氧还原过程，氧阴极反应效率低，过电势高，目前常使用的催化剂以Pt系贵金属为主。Pt属于贵金属，其不仅资源稀缺、价格昂贵，而且在催化过程中容易团聚，循环稳定性较差，难以大规模推广应用，严重阻碍了金属空气电池和燃料电池的商业化进程。因此，高效、稳定以及廉价型催化剂的研究和开发是提高氧阴极的催化性能和推动体系产业化应用的关键所在。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种石墨烯负载金属纳米岛催化剂及其制备方法与应用，旨在解决现有金属纳米催化剂在催化过程中容易团聚，循环稳定性较差，难以大规模推广应用，严重阻碍了金属空气电池和燃料电池的商业化进程的问题。

本发明的技术方案如下：

一种石墨烯负载金属纳米岛催化剂的制备方法，其中，包括步骤：

将石墨烯与渗透剂分散在去离子水中，混合制得石墨烯分散液；

向所述石墨烯分散液中加入金属离子化合物，混合使金属离子化合物中的金属离子分散到石墨烯层与层之间，得到石墨烯混合浆料；

在真空条件下，对所述石墨烯混合浆料进行加热处理，使所述金属离子还原生成金属纳米岛并附着在石墨烯层与层之间，制得所述石墨烯负载金属纳米岛催化剂。

所述石墨烯负载金属纳米岛催化剂的制备方法，其中，按照石墨烯与渗透剂的摩尔比为1:0.5-3的比例，将石墨烯与渗透剂分散在去离子水中，混合制得石墨烯分散液。

所述石墨烯负载金属纳米岛催化剂的制备方法，其中，所述石墨烯分散液中，石墨烯的质量百分比为0.3-2%。

所述石墨烯负载金属纳米岛催化剂的制备方法，其中，所述石墨烯的层数为2-6层。

所述石墨烯负载金属纳米岛催化剂的制备方法，其中，所述渗透剂为（NH₄）₄·EDTA和（NH₄）₄· PTDA中的一种或两种。

所述石墨烯负载金属纳米岛催化剂的制备方法，其中，所述金属离子化合物为可溶性Fe盐，可溶性Co盐，可溶性Ni盐，可溶性Au盐，可溶性Ag盐，可溶性Pt盐，可溶性Pd盐，可溶性Rb盐，可溶性Rh盐和可溶性Ru盐中的一种或多种。