基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極的制備方法，包括以下步驟：1）將石墨粉進(jìn)行氧化制備石墨氧化物；2）將步驟1）制備的石墨氧化物進(jìn)行超聲處理制備石墨烯氧化物；3）將步驟2）制備的石墨烯氧化物加水稀釋；4）將步驟3）得到的稀釋后的石墨烯氧化物溶液進(jìn)行水熱還原反應(yīng)，得到的產(chǎn)物即為基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極。本發(fā)明制備的基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極具有優(yōu)良的氧析出催化性能和長期穩(wěn)定性，可替代昂貴的銥及其氧化物電極，并廣泛應(yīng)用于光解水和金屬-空氣電池以及其他能源轉(zhuǎn)換裝置等領(lǐng)域，具備較高的實(shí)用價(jià)值，并且本發(fā)明的原料為普通石墨粉，原料來源廣泛、價(jià)格低廉、制備方法簡單、適合大規(guī)模生產(chǎn)。
【專利說明】基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氧析出電極的制備方法，具體涉及一種基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氧氣的析出反應(yīng)是最重要的電催化反應(yīng)之一，廣泛應(yīng)用于光解水和金屬-空氣電池等領(lǐng)域。銥及其氧化物電極是目前氧析出反應(yīng)傳統(tǒng)的電極也是最常用的電極，但銥作為貴金屬，其價(jià)格昂貴、資源有限，且長時(shí)間運(yùn)行時(shí)性能損失嚴(yán)重，阻礙了光解水和金屬-空氣電池等領(lǐng)域的商業(yè)化發(fā)展。針對(duì)銥及其氧化物電極價(jià)格昂貴、資源有限、長時(shí)間運(yùn)行時(shí)性能損失嚴(yán)重等嚴(yán)重不足，近年來研究發(fā)現(xiàn)某些過渡金屬元素(例如鈷和鎳)氧化物材料表現(xiàn)出一定的氧析出性能，但過渡金屬氧化物氧析出過電位通常較高，效果不理想，并且步驟繁瑣，難于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。例如d Perovskite Oxide Optimized forOxygen Evolution Catalysis from Molecular Orbital Principles.Jin Suntivich etal.Science 334，1383 (2011).DO1: 10.1126/science.1212858 ；An Advanced N1-FeLayered Double Hydroxide Electrocatalyst for Water Oxidation.Ming Gong etal.J.Am.Chem.Soc.135，8452(2013).DOI..10.1021/ja4027715; Nitrogen-dopedcarbon nanomaterials as non-metal electrocatalysts for water oxidation.NatureCowmunica tions 4，2390 (2013).DO1: 10.1038/ncomms3390.因此，研究一種高效、價(jià)格便宜、穩(wěn)定可靠、制備步驟簡單的氧析出電極顯得十分必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本 發(fā)明的目的在于提供一種基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極的制備方法，該電極具有優(yōu)良的氧析出催化性能和長期穩(wěn)定性，并且原材料來源豐富、制備方法簡單、價(jià)格低廉。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
本發(fā)明的基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極的制備方法，包括以下步驟:
1)將石墨粉進(jìn)行氧化制備石墨氧化物；
2)將步驟I)制備的石墨氧化物進(jìn)行超聲處理制備石墨烯氧化物；
3)將步驟2)制備的石墨烯氧化物加水稀釋；
4)將步驟3)得到的稀釋后的石墨烯氧化物溶液進(jìn)行水熱還原反應(yīng)，得到的產(chǎn)物即為基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極。
[0005]進(jìn)一步，所述步驟I)中，使用濃硫酸、硝酸鈉以及高錳酸鉀將石墨粉氧化，制備石
墨氧化物。
[0006]進(jìn)一步，所述步驟2)中，將石墨氧化物在4~50℃下超聲處理6~24h，制備石墨烯氧化物。
[0007]進(jìn)一步，所述步驟3)得到的稀釋后的石墨烯氧化物溶液濃度為0.1~1.0 mg/ml。[0008]進(jìn)一步，所述步驟4)中，水熱還原反應(yīng)溫度為12(T200°C，反應(yīng)時(shí)間為6~24h。
[0009]本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明將石墨氧化并超聲后得到石墨烯氧化物，然后將石墨烯氧化物稀釋，最后經(jīng)過水熱還原反應(yīng)制備出基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該電極具有優(yōu)良的氧析出催化性能和長期穩(wěn)定性，并且本發(fā)明的原料為普通石墨粉，原料來源廣泛、價(jià)格低廉、制備方法簡單、適合大規(guī)模生產(chǎn)。
[0010]石墨烯是一種由碳原子構(gòu) 成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，是一種由碳原子以SP2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。自2004年英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈.海姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯以來，石墨烯因其具有的良好的電導(dǎo)性能、透光性能和柔性性能，使它在觸摸屏、液晶顯示、有機(jī)光伏電池、有機(jī)發(fā)光二極管等領(lǐng)域作為透明電導(dǎo)電極得到了廣泛的應(yīng)用。而由本發(fā)明的方法制備的還原石墨烯氧化物具有高效的氧析出催化性能，可以作為氧析出電極使用，從而拓展了石墨烯的應(yīng)用范圍，本發(fā)明制備的基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極可替代昂貴的銥及其氧化物電極，并廣泛應(yīng)用于光解水和金屬-空氣電池以及其他能源轉(zhuǎn)換裝置等領(lǐng)域，具備較高的實(shí)用價(jià)值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說明:
圖1為實(shí)施例1制備的還原石墨烯氧化物電極的透射電鏡圖；
圖2為實(shí)施例1制備的還原石墨烯氧化物電極和氧化銥/碳電極在氧氣飽和0.1M KOH溶液中的極化曲線比較圖；
圖3為實(shí)施例1制備的還原石墨烯氧化物電極和氧化銥/碳電極在氧氣飽和0.1M KOH溶液中的穩(wěn)定性比較圖；
圖4為實(shí)施例2制備的還原石墨烯氧化物電極的透射電鏡圖；
圖5為實(shí)施例2制備的還原石墨烯氧化物電極和氧化銥/碳電極在氧氣飽和0.1M KOH溶液中的極化曲線比較圖；
圖6為實(shí)施例2制備的還原石墨烯氧化物電極和氧化銥/碳電極在氧氣飽和0.1M KOH溶液中的穩(wěn)定性比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0013]實(shí)施例1
本實(shí)施例的基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極的制備方法，包括以下步驟:
O使用濃硫酸、硝酸鈉以及高錳酸鉀將石墨粉氧化，制備石墨氧化物；
2)將步驟I)制備的石墨氧化物在10°C下超聲處理10h，制備石墨烯氧化物；
3)將步驟2)制備的石墨烯氧化物加水稀釋至濃度為0.5 mg/ml ；
4)將步驟3)得到的稀釋后的石墨烯氧化物溶液在180°C下水熱還原反應(yīng)12h，得到的產(chǎn)物即為基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極。[0014]圖1為實(shí)施例1制備的還原石墨烯氧化物電極的透射電鏡圖；從圖中可以清晰的看出片狀的還原石墨烯氧化物結(jié)構(gòu)。
[0015]圖2為實(shí)施例1制備的還原石墨烯氧化物電極和氧化銥/碳電極在氧氣飽和0.1MKOH溶液中的極化曲線比較圖，發(fā)現(xiàn)和氧化銥/碳電極相比，還原石墨烯氧化物電極表現(xiàn)出更負(fù)的起始電位，說明還原石墨烯氧化物電極具有高效的氧析出催化性能。
[0016]圖3為實(shí)施例1制備的還原石墨烯氧化物電極和氧化銥/碳電極在氧氣飽和0.1MKOH溶液中的穩(wěn)定性比較圖，發(fā)現(xiàn)和氧化銥/碳電極相比，運(yùn)行4000s后，還原石墨烯氧化物電極具有更負(fù)的電位1.46 V，即比氧化銥/碳電極電位提高了約57mV，說明還原石墨烯氧化物電極更適合長期的運(yùn)行，具有更高的穩(wěn)定性。
[0017]上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，實(shí)施例1制備的還原石墨烯氧化物電極具有優(yōu)良的氧析出催化性能和長期穩(wěn)定性，可替代昂貴的銥及其氧化物電極，作為氧析出電極使用。
[0018]實(shí)施例2
本實(shí)施例的基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極的制備方法，包括以下步驟:
O使用濃硫酸、硝酸鈉以及高錳酸鉀將石墨粉氧化，制備石墨氧化物；
2)將步驟I)制備的石墨氧化物在15°C下超聲處理12h，制備石墨烯氧化物；
3)將步驟2)制備的石墨烯氧化物加水稀釋至濃度為1.0mg/ml ；
4)將步驟3)得到的稀釋后的石墨烯氧化物溶液在200°C下水熱還原反應(yīng)10h，得到的產(chǎn)物即為基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極。
[0019]圖4為實(shí)施例2制備的還原石墨烯氧化物電極的透射電鏡圖；從圖中可以清晰的看出片狀的還原石墨烯氧化物結(jié)構(gòu)。
[0020]圖5為實(shí)施例2制備的還原石墨烯氧化物電極和氧化銥/碳電極在氧氣飽和0.1MKOH溶液中的極化曲線比較圖，發(fā)現(xiàn)和氧化銥/碳電極相比，還原石墨烯氧化物電極表現(xiàn)出更負(fù)的起始電位，說明還原石墨烯氧化物電極具有高效的氧析出催化性能。
[0021]圖6為實(shí)施例2制備的還原石墨烯氧化物電極和氧化銥/碳電極在氧氣飽和0.1MKOH溶液中的穩(wěn)定性比較圖，發(fā)現(xiàn)和氧化銥/碳電極相比，運(yùn)行3000s后，還原石墨烯氧化物電極具有更負(fù)的電位1.48 V，即比氧化銥/碳電極電位提高了約48mV，說明還原石墨烯氧化物電極更適合長期的運(yùn)行，具有更高的穩(wěn)定性。
[0022]上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，實(shí)施例2制備的還原石墨烯氧化物電極具有優(yōu)良的氧析出催化性能和長期穩(wěn)定性，可替代昂貴的銥及其氧化物電極，作為氧析出電極使用。
[0023]最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)將石墨粉進(jìn)行氧化制備石墨氧化物； 2)將步驟I)制備的石墨氧化物進(jìn)行超聲處理制備石墨烯氧化物； 3)將步驟2)制備的石墨烯氧化物加水稀釋； 4)將步驟3)得到的稀釋后的石墨烯氧化物溶液進(jìn)行水熱還原反應(yīng)，得到的產(chǎn)物即為基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極的制備方法，其特征在于:所述步驟I)中，使用濃硫酸、硝酸鈉以及高錳酸鉀將石墨粉氧化，制備石墨氧化物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極的制備方法，其特征在于:所述步驟2)中，將石墨氧化物在4~5(TC下超聲處理6~24h，制備石墨烯氧化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極的制備方法，其特征在于:所述步驟3)得到的稀釋后的石墨烯氧化物溶液濃度為0.1~1.0 mg/ml。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于還原石墨烯氧化物的氧析出電極的制備方法，其特征在于:所述步驟4)中，水熱還原反應(yīng)溫度為12(T200°C，反應(yīng)時(shí)間為6~24h。
【文檔編號(hào)】C25B1/02GK103924261SQ201410155738
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】李長明, 張連營, 趙志亮 申請(qǐng)人:西南大學(xué)