[发明专利]一种负载氧化亚铜和还原氧化石墨烯的碳基底复合催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明提供一种氧化亚铜和还原氧化石墨烯负载在碳基底上的复合催化剂Cu₂O@rGO@CC。该复合催化剂对电解水制氧(OER)表现出良好的催化性能催化效果可与贵金属催化剂相比，稳定性能好，且合成方法简单，工艺易控，适合规模化生产。本发明在负载还原氧化石墨烯包覆的氧化亚铜纳米颗粒，碳基底表面均匀，可在空气中稳定存在，采用x射线光电子能谱，x射线粉末衍射，SEM，TEM等表征方法对原结构的组成和性能进行了分析，确定了该复合催化剂组成和性能。

技术领域

本发明属于电催化领域，特别是涉及一种负载氧化亚铜和还原氧化石墨烯的碳基底复合催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

氢能具有能量密度高、零污染和零碳排放等优点，吸引了大量科研人员对其进行深入研究。制备氢能最方便简单的方法是电解水，其中OER是电解水制氢的一个决速步骤，它涉及到O-H断裂产生的复杂的四电子转移过程,需要很大的过电位。因此，寻找一种合适的催化剂来降低这个四电子转移过程所需的活化能是非常必要的。目前常用的贵金属氧化物催化剂，如RuO₂和IrO₂在酸性介质中对OER表现出较高的活性，但由于其稀缺性、珍贵性以及成本问题,使得我们不得不寻找另一种地球上丰富而廉价的材料。

铜基氧化物由于具有多种可达到的氧化态(CuO，Cu⁺，Cu²⁺和Cu³⁺)，因此在OER催化领域能发挥出色作用。现有文献报道ITO/Cu₂O、CuBr/Co@CuO催化剂在OER中表现良好的催化性能，但是上述催化剂都存在合成方法复杂难控或电流密度低的问题。

碳布又称碳纤维布，它是一种耐高温，耐酸碱腐蚀的且具有较强导电性的一类材料。碳布耐酸，耐碱且易于导电的性能，使其成为催化领域中良好的载体。石墨烯是一种二维纳米材料,仅由一个原子层厚的单层石墨片构成。这种材料潜力巨大，集多种优异特性于一身，具有超强的导电，导热性能及机械强度,超高的载流子迁移率,透光性及巨大的比表面积。在很多方面，比如透明导电薄膜,电子器件,能源存储,催化,生物医药等展现出巨大的应用前景。因此将还原氧化石墨烯和氧化亚铜与碳布基底负载在一起可能会是一种很好的材料，在催化水解产氧领域具有很好的应用前景。

现有技术中，也有文献介绍氧化亚铜/还原石墨烯类催化剂的制备和应用，但是该催化剂大部分都是采用的制备方法是先制备氧化亚铜，然后将石墨烯包裹在氧化亚铜的表面上。该方法无法保证还原石墨烯薄膜的完整性，而且制备得到的氧化亚铜粒径较大、包覆过程中Cu(I)更容易被氧化成Cu(II)，还原石墨烯薄膜较厚，使得活性组分氧化亚铜容易脱落，包覆结构不均匀，从而影响催化剂的OER催化性能和使用的稳定性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种负载氧化亚铜和还原氧化石墨烯的碳基底及其制备方法与应用。

本发明提供了一种负载氧化亚铜和还原氧化石墨烯的碳基底复合催化剂(Cu₂O@rGO@CC)，所述复合催化剂在碳基底上负载还原氧化石墨烯包覆的氧化亚铜纳米颗粒。

所述氧化亚铜纳米颗粒为直径300-500nm的球型颗粒。

所述还原石墨烯包覆层厚度为5-50nm，优选为5-20nm。

所述碳基底为碳布、碳薄膜或表面覆盖有碳薄膜的金属载体，优选为碳布。

所述碳布的面积为(1-4)*(1-4)cm²。

所述复合催化剂(Cu₂O@rGO@CC)呈莲蓬状，BET比表面积为35-45m²/g，孔隙体积为0.2-0.3cm³/g。