[发明专利]硫和/或氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法、应用

说明书

本申请公开了一种硫和/或氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法及应用，所述方法包括：在非活性气氛下，将含有掺杂源和碳源的原料，在催化剂的存在下，进行化学沉积，反应，之后除去催化剂，即可得到所述硫和/或氮掺杂石墨烯纳米片；所述掺杂源选自硫源、氮源中的至少一种。本申请提供的基于化学气相沉积(CVD)方法策略合成一种S和/或N掺杂石墨烯纳米片，其作为催化剂在酸性介质下表现出非凡的电催化氧还原产H₂O₂的性能，是目前酸性介质中报道的最高速率和法拉第效率。

技术领域

本申请涉及一种硫和/或氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法、应用，属于复合材料技术领域。

背景技术

作为“绿色化学品”，双氧水在造纸，纺织，化工环保等行业的应用广泛，需求迅猛，其主成分过氧化氢(H₂O₂)已成为近十年用量增长最快的化学品之一。传统工业蒽醌法包含复杂有机体系反应和后处理步骤：危险性高，能耗大等缺点。而电化学合成过氧化氢的方法具有设备简单、高效低耗、绿色环保等特点，有望取代传统的工业蒽醌法。

电化学氧还原合成过氧化氢是将氧气和水(H⁺)转化成H₂O₂的过程，存在伴生竞争性的四电子氧还原副反应，导致能量效率和产物选择性不高。更为突出的是，过去所报道的催化剂大多为贵金属，如Pd-Au、Pt-Pd、W-Au、Pd-Hg和Pt-Hg、Ag-Hg等合金催化剂，特别是Pd-Hg在酸性条件下表现高的选择性与稳定性，是当前最好的二电子还原催化剂，但其高成本和汞流失对环境的危害，限制了它们的广泛应用。

近来报道的一些原料低廉且电化学稳定的碳材料以及过渡金属复合纳米碳材料有望发展为最具潜力的二电子氧还原催化剂，如氧化的多壁碳纳米管和石墨烯，N掺杂碳纳米角，N掺杂介孔碳等。但是这些催化剂绝大多数在碱性/中性介质条件下表现出优越的氧还原产双氧水性能(如过电位低，大电流)，在酸性介质中则表现平庸。不幸的是，双氧水产物在碱性和中性介质中不稳定，易分解。而在酸性条件下反而能长期共存，有利于产物收集。为此，开发酸性介质中高效的非(贵)金属具有重要的现实意义。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种硫和/或氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法，基于化学气相沉积(CVD)方法策略合成一种S和/或N掺杂石墨烯纳米片，其作为催化剂在酸性介质下表现出非凡的电催化氧还原产H₂O₂的性能：其中启动电位达到0.616V(酸性介质有利于H₂O₂稳定)，高于绝大部分的报道的材料如N-掺杂碳纳米角(0.4V)，N-掺杂介孔碳(0.55V)和介孔碳球(0.37V)。产过氧化氢选择性在电化学窗口(0.2-0.55V区间)均高于90％，速率最高达到4.79mol·g^-1·h^-1，法拉第效率达到92％，是目前酸性介质中报道的最高速率和法拉第效率。

根据本申请的第一方面，提供了一种硫和/或氮掺杂石墨烯纳米片的制备方法，所述方法包括：在非活性气氛下，将含有掺杂源和碳源的原料，在催化剂的存在下，进行化学沉积，反应，之后除去催化剂，即可得到所述硫和/或氮掺杂石墨烯纳米片；

所述掺杂源选自硫源、氮源中的至少一种。

可选地，所述催化剂包括活性组分和载体；所述活性组分负载在所述载体上；所述活性组分选自金属元素；所述金属元素选自铁、钴、镍中的至少一种；

所述载体选自γ-Al₂O₃、SiO₂、MgO中的至少一种；

所述硫源选自噻吩、硫脲中的至少一种；

所述碳源选自噻吩、嘧啶、吡啶、硫脲、吡咯中的至少一种；

所述氮源选自嘧啶、吡啶，吡咯中的至少一种。