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CN106299393B - 一种钙钛矿/金刚石复合材料及制备方法 - Google Patents

一种钙钛矿/金刚石复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种钙钛矿/金刚石复合材料,它是一种粒径为50~80nm的钙钛矿纳米粒子均匀地分布在粒径为1~20μm的金刚石微粉上的复合材料;其制备方法主要是将微米金刚石进行氨化处理,使其表面带有氨基团,再将其制备成金刚石悬浮液;将硝酸盐和柠檬酸加入到金刚石悬浮液中,使金属硝酸盐水解形成溶胶,再聚合生成凝胶,最后经干燥、焙烧得到钙钛矿/金刚石复合材料。本发明工艺简单、成本低,化学均匀性好,且钙钛矿纳米粒子均匀的分布在了金刚石微粉上,提高了钙钛矿纳米粒子的分散度,增大了催化剂的比表面积,增多了催化活性位点,使其具有更好的催化能力,并拓宽了微米金刚石的应用领域。

Description

一种钙钛矿/金刚石复合材料及制备方法
技术领域 本发明涉及一种电催化材料及其制备方法。
背景技术 钙钛矿型氧化物纳米粒子由于结构稳定,晶格存在氧缺陷,将其作为电催化材料对燃料电池具有良好的电催化作用,并且价格低廉,因此得到普遍关注。但是钙钛矿纳米粒子容易团聚,致使其比表面积大大降低,活性位点减少。因此,需选择合适的载体材料,使之能为钙钛矿粒子的高度分散提供平台并且起到支撑稳定的作用。催化剂载体材料,一般为sp2键合型的碳材料,它们具有较高的导电性和较大的比表面积。但同时sp2杂化的碳材料也有一个严重的缺点,那就是在氧化条件下极易发生结构和形貌的退化,电催化剂载体的退化行为是非常严重的问题,因为它将直接导致电极力学性能的降低而塌陷,以致催化剂与基体分离、失效。Sp3杂化的金刚石由于其高稳定性,可以在强腐蚀的介质中长期稳定工作,使得负载的电催化剂材料寿命有了很大提高。对于金刚石电化学载体材料来说,目前主要的研究对象为纳米金刚石。但纳米金刚石与负载物的亲和力差,使负载物容易发生迁移和团聚,并且在液相介质中,纳米金刚石颗粒本身也较容易发生团聚。
发明内容 本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本低、反应过程易于控制、钙钛矿纳米粒子在金刚石上分布较均匀、具有良好电催化性能的钙钛矿/金刚石复合材料及制备方法。
本发明的钙钛矿/金刚石复合材料是一种粒径为50~80nm的钙钛矿纳米粒子均匀地分布在粒径为1~20μm的金刚石微粉上的复合材料。
上述钙钛矿/金刚石复合材料的制备方法如下:
1、微米金刚石的氨化处理:
将粒径为1~20微米的金刚石微粉加入到含量为25~28%的分析纯氨水中,加入量为每升氨水中加入金刚石微粉20克,搅拌均匀后,超声振荡1小时,频率为40kHz,功率为180W,用无水乙醇漂洗三遍,40~50℃烘干,制得表面带有氨基团的金刚石微粉。
2、钙钛矿/金刚石复合材料的制备:
按100ml无水乙醇加入0.77~1.94g金刚石微粉的比例,将上述表面带有氨基团的金刚石微粉加入到无水乙醇中,经超声分散60min后制成悬浮液;按摩尔比为1:1的比例将甲组硝酸盐中的一种和乙组硝酸盐中的一种加入到上述金刚石悬浮液中,两种硝酸盐质量的和与金刚石微粉的质量比为0.4~2.9:1,其中甲组硝酸盐包括硝酸镧、硝酸锶和硝酸钡,乙组硝酸盐包括硝酸锰、硝酸铁和硝酸镍;磁力搅拌30min后,加入与硝酸盐质量比分别为2:1的柠檬酸和3:20的烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10),待柠檬酸完全溶解后,向溶液中滴加氨水调节其pH值为10~11,得到所需的钙钛矿/金刚石前驱体溶液;将该前驱体溶液在水浴下50℃~70℃陈化8~24h后,在80℃干燥箱中烘干并装入坩埚;先在空气中350℃煅烧2h,使柠檬酸盐充分分解,并随炉冷却至室温,然后将煅烧后的粉体放入真空炉中,以1℃/min的升温速度升到550~650℃煅烧2~5h,随炉冷却至室温,即得到钙钛矿/金刚石复合材料。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
1、工艺简单,成本低,化学均匀性好,反应过程易于控制。
2、制备的钙钛矿/金刚石复合材料,钙钛矿纳米粒子在金刚石上分布较均匀。
3、采用具有优异的化学和电化学稳定性的微米金刚石作为载体材料提高了钙钛矿纳米粒子的分散度,增大了催化剂的比表面积,增多了催化活性位点,使其具有更好的催化能力,并拓宽了微米金刚石的应用领域。
4、制备的钙钛矿/金刚石复合材料和钙钛矿材料作为锌-空气电池中空气电极的氧还原催化剂进行对比,本复合材料降低了阴极极化,使得氧还原过程的开始电位和半波电位均分别向正的方向移动了0.2V和0.1V,且动力学电流密度增大了约40%。
附图说明
图1是本发明实施例1获得的锰酸镧/金刚石复合材料的扫描电镜图。
图2是本发明实施例2获得的镍酸锶/金刚石复合材料的透射电镜图。
具体实施方式
实施例1
将粒径为1~2微米的金刚石微粉加入到含量为28%的分析纯氨水中,加入 量为每升氨水中加入金刚石微粉20克,搅拌均匀后,超声振荡1小时(频率为40kHz,功率180W),用无水乙醇漂洗三遍,50℃烘干,制得表面带有氨基团的金刚石微粉。
将上述表面带有氨基团的金刚石微粉1.94g,加入到100mL无水乙醇中,经超声分散60min后制成金刚石悬浮液,将硝酸镧1.73g和硝酸锰1.0g加入到上述金刚石悬浮液中,磁力搅拌30min后,加入5.46g柠檬酸和0.41g烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10),待柠檬酸完全溶解后,向溶液中滴加氨水调节其pH值为10,得到所需的钙钛矿/金刚石前驱体溶液;将该前驱体溶液在水浴下60℃陈化12h后,在80℃干燥箱中烘干并装入坩埚;先在空气中350℃煅烧2h,使柠檬酸盐充分分解,并随炉冷却至室温,然后将煅烧后的粉体放入真空炉中,以1℃/min的升温速度升到650℃煅烧2h,随炉冷却至室温,即得到锰酸镧含量为33%的锰酸镧/金刚石复合材料。
经S4800场发射扫描电镜观察,如图1所示,获得的锰酸镧/金刚石复合材料,具有网状结构,纳米锰酸镧粒子在1~2微米的金刚石上分布较均匀,XRD分析表明为钙钛矿结构,属正交晶系,平均粒径约为50nm。
实施例2
将粒径为6~8微米的金刚石微粉加入到含量为25%的分析纯氨水中,加入量为每升氨水中加入金刚石微粉20克,搅拌均匀后,超声振荡1小时(频率为40kHz,功率180W),用无水乙醇漂洗三遍,50℃烘干,制得表面带有氨基团的金刚石微粉。
将上述表面带有氨基团的金刚石微粉0.77g,加入到100mL无水乙醇中,经超声分散60min后制成金刚石悬浮液,将硝酸锶0.84g和硝酸镍1.16g加入到上述金刚石悬浮液中,磁力搅拌30min后,加入4.0g柠檬酸和0.3g烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10),待柠檬酸完全溶解后,向溶液中滴加氨水调节其pH值为11,得到所需的钙钛矿/金刚石前驱体溶液;将该前驱体溶液在水浴下50℃陈化24h后,在80℃干燥箱中烘干并装入坩埚。先在空气中350℃煅烧2h,使柠檬酸盐充分分解,并随炉冷却至室温,然后将煅烧后的粉体放入真空炉中,以1℃/min的升温速度升到550℃煅烧5h,随炉冷却至室温,即得到镍酸锶含量为50%的镍酸锶/金刚石 复合材料。
经H-2100透射电镜观察,如图2所示,获得的镍酸锶/金刚石复合材料,纳米镍酸锶粒子在6~8微米的金刚石上分布较均匀,平均粒径约为80nm。
实施例3
将粒径为15~20微米的金刚石微粉加入到含量为26%的分析纯氨水中,加入量为每升氨水中加入金刚石微粉20克,搅拌均匀后,超声振荡1小时(频率为40kHz,功率180W),用无水乙醇漂洗三遍,40℃烘干,制得表面带有氨基团的金刚石微粉。
将上述表面带有氨基团的金刚石微粉0.96g,加入到100mL无水乙醇中,经超声分散60min后制成金刚石悬浮液,将硝酸钡0.26g和硝酸铁0.18g加入到上述金刚石悬浮液中,磁力搅拌30min后,加入0.88g柠檬酸和0.06g烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10),待柠檬酸完全溶解后,向溶液中滴加氨水调节其pH值为11,得到所需的钙钛矿/金刚石前驱体溶液。将该前驱体溶液在水浴下70℃陈化8h后,在80℃干燥箱中烘干并装入坩埚。先在空气中350℃煅烧2h,使柠檬酸盐充分分解,并随炉冷却至室温,然后将煅烧后的粉体放入真空炉中,以1℃/min的升温速度升到600℃煅烧3h,随炉冷却至室温,即得到镍酸锶含量为20%的镍酸锶/金刚石复合材料。

Claims (2)

1.一种钙钛矿/金刚石复合材料的制备方法,所述钙钛矿/金刚石复合材料是一种粒径为50~80nm的钙钛矿纳米粒子均匀地分布在粒径为1~20μm的金刚石微粉上的复合材料,其特征在于:
(1)微米金刚石的氨化处理:
将粒径为1~20微米的金刚石微粉加入到含量为25~28%的分析纯氨水中,加入量为每升氨水中加入金刚石微粉20克,搅拌均匀后,超声振荡1小时,频率为40kHz,功率180W,用无水乙醇漂洗三遍,40~50℃烘干,制得表面带有氨基团的金刚石微粉;
(2)钙钛矿/金刚石复合材料的制备:
按100ml无水乙醇加入0.77~1.94g金刚石微粉的比例关系,将上述表面带有氨基团的金刚石微粉加入到无水乙醇中,经超声分散60min后制成悬浮液;按摩尔比为1:1的比例将甲组硝酸盐中的一种和乙组硝酸盐中的一种加入到上述金刚石悬浮液中,两种硝酸盐质量的和与金刚石微粉的质量比为0.4~2.9:1,磁力搅拌30min后,加入与两种硝酸盐之和的质量比分别为2:1的柠檬酸和3:20的烷基酚聚氧乙烯醚,待柠檬酸完全溶解后,向溶液中滴加氨水调节其pH值为10~11,得到所需的钙钛矿/金刚石前驱体溶液;将该前驱体溶液在水浴下50℃~70℃陈化8~24h后,在80℃干燥箱中烘干并装入坩埚;先在空气中350℃煅烧2h,使柠檬酸盐充分分解,并随炉冷却至室温,然后将煅烧后的粉体放入真空炉中,以1℃/min的升温速度升到550~650℃煅烧2~5h,随炉冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿/金刚石复合材料的制备方法,其特征在于:所述甲组硝酸盐包括硝酸镧、硝酸锶和硝酸钡,乙组硝酸盐包括硝酸锰、硝酸铁和硝酸镍。
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