一种Nd-石墨烯复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种Nd

【技术实现步骤摘要】
一种Nd
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石墨烯复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及催化材料
，尤其涉及一种Nd
‑
石墨烯复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]电催化裂解水制备氢气和氧气是一种安全和可持续的获得清洁能源的方法，在高效利用可再生清洁能源、缓解能源危机和防止环境污染等方面都具有重要的应用价值和研究意义。目前性能最好的析氢和析氧催化剂分别是Pt基和Ir/Ru基材料。这类贵金属催化材料储量有限，成本昂贵，限制了它们在大规模应用中的使用。因此，寻找储量丰富廉价且性能优异的非贵金属催化剂具有十分重要的意义。
[0003]催化剂的性能主要取决于催化剂中的催化活性位点的内在活性以及催化位点的数量。迄今为止，用于碱性介质的高效析氢催化剂的数量远远少于酸性催化剂。而且，开发碱性介质中高活性、高稳定性的析氢催化剂具有重要的工业应用价值和广阔的应用前景。
[0004]在过渡金属材料中，镍基催化剂由于其在碱性介质中具有优异的耐腐蚀性能而得到了广泛的研究。镍基催化剂由于其特殊的三维电子分布，被认为是最有希望在碱性介质中进行析氢的电极材料之一。现有研究大部分以石墨烯为主体，与过渡金属复合制备了一系列材料。例如现有技术公开了，利用高分子产品高温碳化并石墨化制备出三维石墨烯块体，接着在氨气下进行氮掺杂反应，得到高强度的氮掺杂石墨烯材料，最后引入MoS2材料，制备出具有三维发达孔结构的材料。现有技术还公开了一种Ni2P负载石墨烯泡沫结构催化剂的制备方法及其应用，其工艺过程如下：将镍泡沫浸泡在氧化石墨烯溶液中，在稀有气体饱和的环境中，使氧化石墨烯在镍泡沫表面负载生长，冷冻干燥后取出样品，得到单分散超小NiO负载石墨烯泡沫结构的催化剂；将冷冻干燥后的样品进行磷化处理，得到单分散超小Ni2P负载石墨烯泡沫结构的催化剂。
[0005]现有技术中公开的过渡金属与碳材料复合催化剂材料，过渡金属化合物一般是通过溶液水热反应合成，有些材料还需经过后续的冷冻干燥处理，合成过程时间长，并且后续经过硫化、磷化处理，需要使用一些硫化物、磷化物，会产生刺激性气味，需要进行尾气处理。材料合成周期较长，效率低，难以应用于大面积材料的生产。
[0006]最后，从实际应用角度考虑，现有的大部分催化剂材料为粉体材料，使用过程中需要粘结剂，会降低质子传输效率。在使用过程中，有些催化剂材料只能应用在酸性环境中，在碱性环境中的析氢性能很差，这使得它的应用受到诸多限制。
[0007]基于目前的催化剂材料存在的技术缺陷，有必要对此进行改进。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术提出了一种Nd
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石墨烯复合材料及其制备方法和应用，以解决或至少部分解决现有技术中存在的技术问题。
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种Nd
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石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010]S1、以泡沫镍为基底，以含碳气体为碳源，利用化学气相沉积法在泡沫镍基底表面生长石墨烯得到石墨烯泡沫镍材料；
[0011]S2、在石墨烯泡沫镍材料的石墨烯表面制备Nd单质，即得到Nd
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石墨烯复合材料。
[0012]在以上技术方案的基础上，优选的，S2中所述在石墨烯泡沫镍材料的石墨烯表面制备Nd单质具体包括：将石墨烯泡沫镍材料置于管式炉中，在管式炉中放置氟化钕粉末并加热至1200～1400℃，使氟化钕挥发分解产生含钕单质并沉积在石墨烯表面。
[0013]在以上技术方案的基础上，优选的，S2中所述在石墨烯泡沫镍材料的石墨烯表面制备Nd单质具体包括：将石墨烯泡沫镍材料浸泡于硝酸钕或硫酸钕溶液，取出后烘干，然后于惰性气体中热处理。
[0014]在以上技术方案的基础上，优选的，S1中碳源包括乙烯、甲烷和乙炔中的一种。
[0015]进一步优选的，S1中利用化学气相沉积法在泡沫镍基底表面生长石墨烯得到石墨烯泡沫镍材料具体包括：将泡沫镍置于管式炉中，通入氢气和氩气混合气，然后升温至900～1200℃，再通入碳源气体，即在泡沫镍基底表面生长石墨烯。
[0016]进一步优选的，通入碳源气体的时间为15～25min，流量为90～110sccm。
[0017]进一步优选的，将石墨烯泡沫镍材料置于管式炉中，同时通入氢气和氩气混合气，混合气的流量为90～110sccm。
[0018]进一步优选的，将泡沫镍置于管式炉中之前还包括使用乙醇清洗泡沫镍。
[0019]第二方面，本专利技术还提供了一种Nd
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石墨烯复合材料，采用所述的制备方法制备得到。
[0020]第三方面，本专利技术还提供了所述的Nd
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石墨烯复合材料作为电极材料应用于电解水制氢装置中或作为阴极材料应用于燃料电池、金属
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空气电池中。
[0021]本专利技术的一种Nd
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石墨烯复合材料的制备方法相对于现具有以下有益效果：(1)本专利技术的Nd
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石墨烯复合材料的制备方法，采用泡沫镍作为基底，泡沫镍是一种廉价且性能良好的导电3D多孔材料，用其作为基底可以起到骨架作用，泡沫镍可以避免石墨烯堆叠，使石墨烯充分铺展；同时氟化钕中钕为稀土元素，由于钕4f电子的独特性质，将其与电催化剂结合可以显著提高析氢反应(HER)、析氧反应(OER)、氧还原反应(ORR)等电化学催化效率；本申请的Nd
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石墨烯复合材料的制备方法，通过化学气相沉积法一步合成Nd
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石墨烯复合材料，合成工艺简单，周期较短，效率高，可以应用于大面积材料的生产；本申请的Nd
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石墨烯复合材料的制备方法，原材料来源丰富，廉价易得，对环境无污染；本申请的Nd
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石墨烯复合材料的制备方法，通过改变管式炉中氟化钕粉末的加热温度或热处理温度可以调控复合材料的形貌，在石墨烯表面合成了球状和纤维状钕化合物，可提高复合材料的比表面积以及电化学活性面积，进而提高复合材料的析氢性能；本申请制备得到的复合材料表面形貌均匀、比表面积大、电化学性能好、析氢过电位低等优点，结合了石墨烯比表面积大、导电性好的优势，复合材料的性能得到提高，该材料具有自支撑结构，使用中不需粘结剂。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1为本专利技术实施例1～2中制备得到的Nd
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石墨烯复合材料以及对比例1中制备得到的石墨烯泡沫镍材料的表面形貌图；
[0024]图2为对比例1制备得到石墨烯泡沫镍材料的吸附
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脱附曲线图；
[0025]图3为本专利技术实施例2制备得到的Nd
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Nd
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石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、以泡沫镍为基底，以含碳气体为碳源，利用化学气相沉积法在泡沫镍基底表面生长石墨烯得到石墨烯泡沫镍材料；S2、在石墨烯泡沫镍材料的石墨烯表面制备Nd单质，即得到Nd
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石墨烯复合材料。2.如权利要求1所述的Nd
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石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，S2中所述在石墨烯泡沫镍材料的石墨烯表面制备Nd单质具体包括：将石墨烯泡沫镍材料置于管式炉中，在管式炉中放置氟化钕粉末并加热至1200～1400℃，使氟化钕挥发分解产生含钕单质并沉积在石墨烯表面。3.如权利要求1所述的Nd
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石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，S2中所述在石墨烯泡沫镍材料的石墨烯表面制备Nd单质具体包括：将石墨烯泡沫镍材料浸泡于硝酸钕或硫酸钕溶液，取出后烘干，然后于惰性气体中热处理。4.如权利要求1所述的Nd
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石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，S1中碳源包括乙烯、甲烷和乙炔中的一种。5.如权利要求4所述的Nd
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石墨烯复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：萨格，陈丽芳，梁彤祥，邓义群，
申请(专利权)人：国瑞科创稀土功能材料赣州有限公司，
类型：发明
国别省市：