[发明专利]离子液体共价修饰石墨烯‑剥离类水滑石双功能氧催化剂及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种离子液体共价修饰石墨烯‑剥离类水滑石复合材料的非贵金属双功能氧催化剂及其制备方法和在碱性介质中对析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)的电催化应用。本发明利用离子液体特殊的溶解性和高的导电性，通过共价修饰法将其引入石墨烯‐剥离类水滑石复合材料的表面，制备了离子液体共价修饰石墨烯‐剥离类水滑石复合材料。本发明制备的氧催化剂在碱性条件下具有较高的OER和ORR的双功能催化活性、良好的分散性和优异的甲醇耐受性，且所用原料成本低、制备方法简单，易于操作，便于大规模生产。

主权项

一种离子液体共价修饰石墨烯‑剥离类水滑石双功能氧催化剂，其特征在于所述离子液体共价修饰石墨烯‑剥离类水滑石复合材料是由氨基功能化离子液体通过环氧开环反应共价修饰氧化石墨烯‑剥离类水滑石复合物制得；所述离子液体共价修饰石墨烯‑剥离类水滑石双功能氧催化剂，其特征在于所述剥离类水滑石片为镍铁双金属型，记为ELDH；所述氧化石墨烯记为GO，所述石墨烯记为GR，所述离子液体为1‑丁基‑3‑氨丙基咪唑四氯硼酸盐，记为IL，其结构式如下：所述离子液体共价修饰石墨烯‑剥离类水滑石双功能氧催化剂的制备方法，其特征在于包括以下具体步骤：(a)ELDH纳米片的制备将六水合氯化镍和六水合氯化铁按一定摩尔比溶解于超纯水中，使金属离子总浓度为0.02mol/L，搅拌使其完全溶解，然后缓慢混合14mL 0.2M尿素以及2mL 0.01M柠檬酸三钠，将该混合液移入反应釜中，于150℃反应24h，反应液离心分离后，分别用去离子水和乙醇洗涤三次，所得CO32‑‑LDH分散于浓度分别为1mol/L的NaCl和3.3mmol/L的HCl混合水溶液中，N2气氛下搅拌12小时，抽滤后得Cl‑‑LDH，再将其分散于浓度为0.1mol/L的NaNO3水溶液中，N2气氛下搅拌12小时，抽滤后室温干燥12小时得NO3‑‑LDH，然后将一定量的NO3‑‑LDH杂化物分散于甲酰胺中，N2气氛下搅拌24小时，将该混合液在5000rpm离心10min除去未剥离的LDH，得到棕红色ELDH胶体溶液，使其最终浓度为0.5～1.0mg/mL；(b)GO‑ELDH纳米复合材料的制备采用Hummer法制备GO，并将一定量所得的GO分散于甲酰胺中，使其浓度为1mg/mL，超声分散1小时，3000rpm离心10min除去未剥离的GO，得到剥离的GO分散液；将该GO分散液与步骤(a)所得ELDH胶体溶液等体积充分混合，室温密闭条件下搅拌12小时，5000rpm离心10min后，所得棕黑色沉淀即为GO‑ELDH复合物；(c)IL‑GR‑ELDH复合材料的制备称取步骤(b)中所得的GO‑ELDH复合物40mg分散于去离子水中，使其浓度为0.5mg/mL，缓慢加入20mg IL和20mg KOH后超声处理30min；将超声后的分散液于40～80℃下加热搅拌24h，4000rpm离心5min，依次用去离子水和无水乙醇洗涤3次，所得黑色固体颗粒即为IL‑GR‑ELDH复合物。