[发明专利]一种磷掺杂石墨烯负载镍铂纳米催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明为一种磷掺杂石墨烯负载镍铂纳米催化剂的制备方法及应用。该方法采用简单的共还原法，通过添加磷源，首先对石墨烯进行掺杂改性，然后再加入金属盐溶液，还原之后，即可得到磷掺杂石墨烯载体负载的纳米催化剂。本发明得到催化剂在肼硼烷的分解反应中具有更高的催化活性和循环稳定性，且具备合成过程简单、操作简便、合成周期短、催化活性及循环稳定性高等优点。

技术领域

本发明涉及催化剂制备以及生态环境和能源的绿色、可持续发展领域，特别是一种磷掺杂石墨烯负载镍铂纳米催化剂的制备方法及应用。

背景技术

氢能作为一种高能量密度、无污染的新能源，越来越受到人们的重视，寻找安全高效的储氢材料是实现氢经济的首要步骤。肼硼烷在常温常压下为安全稳定的固体粉末，易于保存和运输，其在适当的催化剂的作用下能够完全分解，生成氢气和少量的氮气。因此，肼硼烷被认为是可替代传统能源的储氢材料之一。

肼硼烷(N₂H₄BH₃，HB)的氢含量高达15.4wt％，通过水解反应，1mol HB理论上能够产生5当量的氢气，是一种非常有前途的储氢材料，并且肼硼烷还具有成本低、制备过程简单、产物纯度高等优点，成为近几年的研究热点。HB产氢主要分为两步，首先是活化能较低的硼烷基的分解(N₂H₄BH₃(s)+3H₂O(l)→N₂H₄(l)+H₃BO₃(l)+3H₂(g)，Ea＝17.6kJ/mol)，这一过程可以在很短的时间内完成，且没有杂质气体的生成；其次是活化能较高的肼基的分解(N₂H₄(l)→N₂(g)+2H₂(g)，Ea＝56.4kJ/mol)，此过程较为缓慢，分解动力学相对较低。因此，成为制约肼硼烷分解速率的主要因素。此外，肼基分解会伴有副反应的发生(3N₂H₄(l)→4NH₃(g)+N₂(g))，结果产生了氨气(NH₃)。为了最大化开发HB的储氢效益并防止NH₃对燃料电池的毒化作用，肼基分解的副反应必须完全避免。金属镍Ni对HB的分解具有独特的催化活性，同时Ni的储量丰富，容易获得，价格低廉等优点，被广泛应用于HB的制氢反应中。单金属Ni的催化活性和选择性都相对较低，为了提高催化剂的催化活性和选择性，选择性地加入一些掺杂元素对Ni的电子结构进行调控，从而提高催化剂的活性。纳米催化剂由于其尺寸小，表面能高，在制备过程中容易发生团聚，造成金属活性位点减少，从而使催化剂的催化活性降低。因此，为了克服上述缺点，开发一种制备方法简单高效，成本较低，颗粒尺寸小，分散性良好的催化剂是分解HB制氢的关键步骤。

发明内容

本发明主要是针对HB的分解反应中，现有存在的反应条件苛刻、纳米粒子分散不均、催化剂活性不高等缺点，提供一种磷掺杂石墨烯负载镍铂纳米催化剂的制备方法及应用。该方法采用简单的共还原法，通过添加磷源，首先对石墨烯进行掺杂改性，然后再加入金属盐溶液，还原之后，即可得到磷掺杂石墨烯载体负载的纳米催化剂。本发明得到催化剂在HB的分解反应中具有更高的催化活性和循环稳定性，且具备合成过程简单、操作简便、合成周期短、催化活性及循环稳定性高等优点。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种磷掺杂石墨烯负载镍铂纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、配制浓度为3～9mg/mL的氧化石墨烯GO的水溶液，超声处理后得到分散均匀的氧化石墨烯GO水溶液；

步骤二、将K₂HPO₄加入到步骤一的混合溶液中，并继续搅拌1～10min后，得到混合溶液A；