CN107694565B - 一种石墨烯气凝胶贵金属催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯气凝胶贵金属催化剂的制备方法，该方法通过选择大孔径的石墨烯粉末作为原料，增大氧化石墨烯水溶液的浓度，使用特异性的L‑抗血酸为还原剂，缩短水热反应时间，并调节冷冻干燥的反应条件，综合优化并最终制备得到较大的比表面积和孔径的石墨烯气凝胶贵金属催化剂，使贵金属组分高度分散，从而提高了催化剂的催化活性，对CO的催化效率即CO的转化率达到97.5％。本发明制备工艺简单，可实现工业化大规模生产，可为企业带来良好的经济效益，具备广阔的前景。
Description
技术领域
本发明涉及化学合成领域，主要涉及一种石墨烯气凝胶贵金属催化剂的制备方法。
背景技术
石墨烯是由单层sp2杂化碳原子组成的呈六角型蜂巢晶格的二维平面薄膜，具有极高的比表面积，优异的机械性能和良好的导电、导热性。近年来，石墨烯引起了国内外科研学者的广泛关注，在诸如电催化、光催化、热催化等领域显示出了优异的性能。石墨烯气凝胶是一种具有高比表面积、高孔隙率、良好的导电与导热性以及优异机械强度的新型纳米功能材料，在能源存储与转换、催化、吸附及传感等领域引起了科研工作者的极大关注。
贵金属(Au、Ag、Pt和Pd等)粒子是活性非常高的催化剂，贵金属催化剂由于能改变化学反应速度而本身又不参与反应，因此在催化剂领域广泛应用，几乎所有的贵金属都可用作催化剂，它们的表面易吸附反应物，且强度适中，利于形成中间活性化合物，具有较高的催化活性，同时还具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等综合优良特性，成为最重要的催化剂材料。
负载金属粒子的石墨烯气凝胶不仅可以保持金属纳米粒子和石墨烯气凝胶本身的性能，而且通过两者的某些协同作用进一步提升金属粒子的催化性能。特别是在热催化领域，理论和实验研究都证明石墨烯能够大大增强贵金属粒子的催化性能，例如，在催化加氢反应中，石墨烯/Pt纳米复合催化剂具有比其它碳材料/Pt纳米复合催化剂更好的催化效果。
CN 104250005A公开了一种石墨烯气凝胶及其制备方法和应用，该专利中制备的单纯的石墨烯气凝胶的应用范围是有限的，没有将多功能的贵金属纳米颗粒与宏观的石墨烯气凝胶相结合。CN106268631A公开了一种石墨烯贵金属无机纳米颗粒复合水凝胶的制备方法，其包括下述步骤：(1)将氧化石墨烯分散液、贵金属化合物以及还原剂混合均匀得混合液；(2)将混合液用高能射线照射进行辐照反应。CN104759616A公开了一种贵金属纳米颗粒-多孔石墨烯复合材料及其制备方法和用途。先按照贵金属颗粒：氧化石墨烯：去离子水的重量比为0.1-1:0.01-0.1:1000-70000的比例，将贵金属颗粒和氧化石墨烯均匀地分散于去离子水中，得到分散液，再将过量的硼氢化钠水溶液加入分散液中，制得贵金属纳米颗粒-多孔石墨烯复合材料。
但是，目前报道的石墨烯贵金属复合催化剂仍存在诸多局限，例如：(1)石墨烯之间的范德华力使其容易团聚，使得催化剂材料总是以团聚或沉淀的状态存在，颗粒尺寸较大、分散不均匀，不利于催化反应的发生和进行；(2)在高温反应条件下，纳米粒子之间会发生熟化而生成更大的粒子，导致其催化活性降低，选择性较低以及稳定性较差。(3)反应步骤复杂，反应条件苛刻，难以操作。
因此，开发一种优异性能的石墨烯气凝胶贵金属催化剂，使其具有活性组分高度分散，环保、易于工业再生与循环使用，成本较低等优点，具有十分重要的意义。对于石墨烯气凝胶基贵金属催化剂的制备工艺存在进一步的优化需求，这也是该技术领域内的研究热点和重点之一，更是本发明得以完成的动力和出发点所在。
发明内容
针对现有技术的不足和市场的需求，本发明提供了一种石墨烯气凝胶贵金属催化剂的制备方法，通过选择大孔径的石墨烯粉末作为原料，增大氧化石墨烯水溶液的浓度，使用特异性的L-抗血酸为还原剂，缩短水热反应时间，并调节冷冻干燥的反应条件，综合优化并制备得到贵金属组分高度分散的石墨烯气凝胶催化剂，从而提高了催化剂的催化活性。本发明制备工艺简单，可实现工业化大规模生产，可为企业带来良好的经济效益，具备广阔的前景。
一方面，本发明提供一种石墨烯气凝胶贵金属催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)取孔径为120nm-l60nm的多孔石墨烯经Hummers法制备氧化石墨烯粉末；
(2)将氧化石墨烯粉末与纯水混合，经超声分散和机械搅拌得到浓度为4-8mg/mL的氧化石墨烯水溶液；
(3)将氧化石墨烯水溶液与贵金属盐混合均匀，保温反应得氧化石墨烯混合液；
(4)将所述混合溶液加入还原剂L-抗坏血酸，搅拌均匀后进行水热反应得到贵金属石墨烯的水凝胶；
(5)冷冻干燥处理去除溶剂，得到石墨烯气凝胶贵金属催化剂。
发明人在现有技术的基础上，经过大量实验，反复摸索优化实验条件，发现以大孔径石墨烯为原料，增大氧化石墨烯浓度并选择在反应过程中不产生任何气体，可形成均匀气凝胶的L－抗坏血酸作为还原剂，同时缩短水热反应时间，各条件综合协同增效，得到贵金属高度分散且具有高催化活性的催化剂。
优选地，步骤(1)所述的孔径为120-160nm，例如可以是130nm、135nm、140nm、145nm、150nm或160nm，优选为130-150nm，进一步优选为140nm。
优选地，步骤(2)所述的浓度为4-8mg/mL，例如可以是4mg/mL、5mg/mL、6mg/mL、7mg/mL或8mg/mL，优选为5-7mg/mL，进一步优选为6mg/mL。
优选地，步骤(3)所述贵金属盐包括硝酸银、氯钌酸钾、氯铑酸钾、三氧化铑、三氧化钌或三氧化铱中的任一种或至少两种的组合，例如可以是硝酸银和氯钌酸钾的组合，硝酸银和三氧化铑的组合，氯铑酸钾和三氧化钌的组合，三氧化铑和三氧化铱的组合；
优选地，步骤(3)所述贵金属盐和所述氧化石墨烯的质量比为1:(4-8)，例如可以是1:4、1:5、1:6、1:7或1:8，优选为1:(5-7)，进一步优选为1:6。
优选地，步骤(3)所述反应温度为50-60℃，例如可以是50℃、52℃、55℃、58℃或60℃，优选为55℃；
优选地，反应时间为5-7h，例如可以是5h、5.5h、6h、6.5h或7h，优选为6h。
优选地，步骤(4)所述还原剂L-抗坏血酸占所述混合液的质量百分比为10-30％，例如可以是10％、15％、20％、25％或30％，优选为20％。
优选地，步骤(4)所述水热反应的温度为45-55℃，例如可以是45℃、46℃、47℃、48℃、49℃、50℃、52℃或55℃，优选为50℃；
优选地，步骤(4)所述的水热反应时间为1-3h，例如可以是1h、2h或3h，优选为2h。
优选地，步骤(5)所述冷冻干燥的温度为为-55℃至-35℃，例如可以是-35℃、-38℃、-40℃、-42℃、-45℃、-50℃或-55℃，优选为-40℃。
优选地，步骤(5)所述冷冻干燥的真空度为8-20Pa，例如可以是8Pa、10Pa、12Pa、14Pa、15Pa、16Pa、19Pa或20Pa，优选为15Pa。
优选地，步骤(5)所述冷冻干燥的时间为15-20h，例如可以是15h、16h、17h、18h、19h或20h，优选为18h。
作为优选技术方案，本发明提供一种石墨烯气凝胶贵金属催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)取孔径为130-150nm的多孔石墨烯经Hummers法制备氧化石墨烯粉末；
(2)将氧化石墨烯粉末与纯水混合，经超声分散和机械搅拌得到浓度为5-7mg/mL的氧化石墨烯水溶液；
(3)将氧化石墨烯水溶液与贵金属盐混合均匀，反应温度为50-60℃，反应时间为5-7h，得到氧化石墨烯混合液，其中贵金属盐和所述氧化石墨烯的质量比为1:(5-7)；
所述贵金属盐包括硝酸银、氯钌酸钾、氯铑酸钾、三氧化铑、三氧化钌或三氧化铱中的任一种或至少两种的组合；
(4)将所述混合溶液加入质量百分比为10-30％的还原剂L-抗坏血酸，搅拌均匀后进行水热反应，反应时间为1-3h，温度为45-55℃，得到贵金属石墨烯的水凝胶；
(5)冷冻干燥处理去除溶剂，冷冻干燥的温度为-55℃至-35℃，时间为15-20h，真空度为8-20Pa，得到石墨烯气凝胶贵金属催化剂。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述方法制备得到的石墨烯气凝胶贵金属催化剂。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明所提供的制备方法能够得到较大的比表面积和孔径的贵金属组分高度分散的石墨烯气凝胶贵金属催化剂，提高了催化剂的催化活性，对CO的催化效率即CO的转化率达到97.5％。
(2)本发明制备工艺简洁高效，节省人力物力，可实现工业化大规模生产，
可为企业带来良好的经济效益，具备广阔的前景。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例来进一步说明本发明的技术方案，但本发明并非局限在实施例范围内。
实施例1
(1)取孔径为140nm的多孔石墨烯经Hummers法制备氧化石墨烯粉末；
(2)将氧化石墨烯粉末与纯水混合，经超声分散和机械搅拌得到浓度为6mg/mL的氧化石墨烯水溶液；
(3)将氧化石墨烯水溶液与硝酸银混合均匀，硝酸银和氧化石墨烯的质量比为1:6，反应温度为55℃，反应时间为6h，得到氧化石墨烯混合液；
(4)将所述混合溶液加入质量百分比为20％的还原剂L-抗坏血酸，搅拌均匀后进行水热反应，反应时间为2h，温度为50℃，得到贵金属石墨烯的水凝胶；
(5)冷冻干燥处理去除溶剂，冷冻干燥的温度为-40℃，时间为18h，真空度为15Pa，得到石墨烯气凝胶贵金属催化剂。
实施例2
(1)取孔径为120nm的多孔石墨烯经Hummers法制备氧化石墨烯粉末；
(2)将氧化石墨烯粉末与纯水混合，经超声分散和机械搅拌得到浓度为4mg/mL的氧化石墨烯水溶液；
(3)将氧化石墨烯水溶液与氯钌酸钾混合均匀，氯钌酸钾和所述氧化石墨烯的质量比为1:4，反应温度为50℃，反应时间为5h，得到氧化石墨烯混合液；
(4)将所述混合溶液加入质量百分比为10％的还原剂L-抗坏血酸，搅拌均匀后进行水热反应，反应时间为1h，温度为45℃，得到贵金属石墨烯的水凝胶；
(5)冷冻干燥处理去除溶剂，冷冻干燥的温度为-35℃，时间为15h，真空度为8Pa，得到石墨烯气凝胶贵金属催化剂。
实施例3
(1)取孔径为160nm的多孔石墨烯经Hummers法制备氧化石墨烯粉末；
(2)将氧化石墨烯粉末与纯水混合，经超声分散和机械搅拌得到浓度为8mg/mL的氧化石墨烯水溶液；
(3)将氧化石墨烯水溶液与三氧化铑混合均匀，三氧化铑和所述氧化石墨烯的质量比为1:8，反应温度为60℃，反应时间为7h，得到氧化石墨烯混合液；
(4)将所述混合溶液加入质量百分比为30％的还原剂L-抗坏血酸，搅拌均匀后进行水热反应，反应时间为3h，温度为55℃，得到贵金属石墨烯的水凝胶；
(5)冷冻干燥处理去除溶剂，冷冻干燥的温度为-55℃，时间为20h，真空度为20Pa，得到石墨烯气凝胶贵金属催化剂。
实施例4
(1)取孔径为130nm的多孔石墨烯经Hummers法制备氧化石墨烯粉末；
(2)将氧化石墨烯粉末与纯水混合，经超声分散和机械搅拌得到浓度为5mg/mL的氧化石墨烯水溶液；
(3)将氧化石墨烯水溶液与三氧化铑混合均匀，三氧化铑和所述氧化石墨烯的质量比为1:5，反应温度为58℃，反应时间为5.5h，得到氧化石墨烯混合液；
(4)将所述混合溶液加入质量百分比为25％的还原剂L-抗坏血酸，搅拌均匀后进行水热反应，反应时间为2.8h，温度为54℃，得到贵金属石墨烯的水凝胶；
(5)冷冻干燥处理去除溶剂，冷冻干燥的温度为-51℃，时间为10h，真空度为12Pa，得到石墨烯气凝胶贵金属催化剂。
实施例5
(1)取孔径为150nm的多孔石墨烯经Hummers法制备氧化石墨烯粉末；
(2)将氧化石墨烯粉末与纯水混合，经超声分散和机械搅拌得到浓度为7mg/mL的氧化石墨烯水溶液；
(3)将氧化石墨烯水溶液与三氧化铑混合均匀，三氧化铑和所述氧化石墨烯的质量比为1:7，反应温度为58℃，反应时间为5.5h，得到氧化石墨烯混合液；
(4)将所述混合溶液加入质量百分比为15％的还原剂L-抗坏血酸，搅拌均匀后进行水热反应，反应时间为1.5h，温度为48℃，得到贵金属石墨烯的水凝胶；
(5)冷冻干燥处理去除溶剂，冷冻干燥的温度为-47℃，时间为16h，真空度为18Pa，得到石墨烯气凝胶贵金属催化剂。
对比例1
与实施例1相比，除了石墨烯孔径为80nm外，其他条件与实施例1相同。
对比例2
与实施例1相比，除了石墨烯水溶液的浓度2mg/ml外，其他条件与实施例1相同。
对比例3
与实施例1相比，除了贵金属盐和氧化石墨烯的质量比为1:1外，其他条件与实施例1相同。
对比例4
与实施例1相比，除了还原剂L-抗坏血酸占氧化石墨烯水溶液的质量百分比为2％外，其他条件与实施例1相同。
对比例5
与实施例1相比，除了水热反应的温度为30℃，水热反应时间为5h外，其他条件与实施例1相同。
对比例6
与实施例1相比，除了冷冻干燥的真空度为5Pa，温度为-20℃，时间为10h，其他条件与实施例1相同。
样品检测
取实施例1-5和对比例1-6制备得到的催化剂进行CO催化活性评价实验，在石英微型反应器中进行，反应条件：催化剂质量为100mg，反应气体为CO和空气的混合气体，其中CO浓度为500ppm(CO/O2<2)，气体流速为50mL/min，反应温度为室温，反应器出口连接红外检测仪，用于检测出口处CO的浓度，结果见表1。
表1
| 样品 | 转化率(％) | 样品 | 转化率(％) |
| 实施例1 | 97.5 | 对比例1 | 81 |
| 实施例2 | 95 | 对比例2 | 80 |
| 实施例3 | 97 | 对比例3 | 82 |
| 实施例4 | 96 | 对比例4 | 83 |
| 实施例5 | 95 | 对比例5 | 80 |
| 对比例6 | 75 |
由表1可知，在本发明提供的技术方案范围内，CO的转化率均在95％以上，最高达到97.5％，但对比例1-6中石墨烯孔径、氧化石墨烯浓度、还原剂添加量、水热反应及冷冻干燥的反应条件不在本申请提供的范围时，转化率明显降低。
综上所述，本发明提供的方法制备得到的石墨烯气凝胶贵金属催化剂具备优良的催化性能，贵金属组分高度分散，对CO的催化效率即CO的转化率达到97.5％。同时本发明提供的制备方法工艺简单，可实现工业化大规模生产，可为企业带来良好的经济效益，具备广阔的前景。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (24)
1.一种石墨烯气凝胶贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取孔径为120-l60nm的多孔石墨烯经Hummers法制备氧化石墨烯粉末；
(2)将氧化石墨烯粉末与纯水混合，经超声分散和机械搅拌得到浓度为4-8mg/mL的氧化石墨烯水溶液；
(3)将氧化石墨烯水溶液与贵金属盐混合均匀，保温反应得氧化石墨烯混合液，所述贵金属盐和所述氧化石墨烯的质量比为1:(4-8)；
(4)在所述混合溶液加入还原剂L-抗坏血酸，搅拌均匀后进行水热反应得到贵金属石墨烯的水凝胶，所述水热反应的温度为45-55℃；
(5)冷冻干燥处理去除溶剂，得到石墨烯气凝胶贵金属催化剂；
步骤(3)所述贵金属盐选自硝酸银、氯钌酸钾、氯铑酸钾中的任一种或至少两种的组合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述的孔径为130-150nm。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述的孔径为140nm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的浓度为5-7mg/mL。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的浓度为6mg/mL。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述贵金属盐和所述氧化石墨烯的质量比为1:(5-7)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述贵金属盐和所述氧化石墨烯的质量比为1:6。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述反应温度为50-60℃。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述反应温度为55℃。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述反应时间为5-7h。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述反应时间为6h。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述还原剂L-抗坏血酸占所述混合液的质量百分比为10-30％。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述还原剂L-抗坏血酸占所述混合液的质量百分比为20％。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述水热反应的温度为50℃。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述的水热反应时间为1-3h。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述的水热反应时间为2h。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)所述冷冻干燥的温度为-55℃至-35℃。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，步骤(5)所述冷冻干燥的温度为-40℃。
19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)所述冷冻干燥的真空度为8-20Pa。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，步骤(5)所述冷冻干燥的真空度为15Pa。
21.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)所述冷冻干燥的时间为15-20h。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，步骤(5)所述冷冻干燥的时间为18h。
23.根据权利要求1所述方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)取孔径为130-150nm的多孔石墨烯经Hummers法制备氧化石墨烯粉末；
(2)将氧化石墨烯粉末与纯水混合，经超声分散和机械搅拌得到浓度为5-7mg/mL的氧化石墨烯水溶液；
(3)将氧化石墨烯水溶液与贵金属盐混合均匀，反应温度为50-60℃，反应时间为5-7h，得到氧化石墨烯混合液，其中贵金属盐和所述氧化石墨烯的质量比为1:(5-7)；
所述贵金属盐选自硝酸银、氯钌酸钾、氯铑酸钾中的任一种或至少两种的组合；
(4)在所述混合溶液加入质量百分比为10-30％的还原剂L-抗坏血酸，搅拌均匀后进行水热反应，反应时间为1-3h，温度为45-55℃，得到贵金属石墨烯的水凝胶；
(5)冷冻干燥处理去除溶剂，冷冻干燥的温度为-55℃至-35℃，时间为15-20h，真空度为8-20Pa，得到石墨烯气凝胶贵金属催化剂。
24.一种如权利要求1-23中任一项所述方法制备得到的石墨烯气凝胶贵金属催化剂。
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