磷掺杂石墨烯的合成及其电催化氧还原性能研究.pdf

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1、第45卷第5期化工技术与开发Vol.45No.52016年5月Technology&DevelopmentofChemicalIndustryMay.2016磷掺杂石墨烯的合成及其电催化氧还原性能研究沈娟霞，姚　真（温州大学化学与材料工程学院碳材料技术研究重点实验室，浙江温州325027）摘　要：以石墨烯和三苯基磷为原料，采用高温热退火法制备磷掺杂石墨烯。SEM、TEM和XPS测试证明磷成功掺杂到了石墨烯中。CV和LSV测试证实，制备的磷掺杂石墨烯氧还原电催化活性较掺杂前有明显提高。稳定性测试表明，磷掺杂石墨烯比商化的铂催化剂稳定性更好。关键词：石墨烯

2、；三苯基膦；氧还原；电催化中图分类号：O643.3文献标识码：A文章编号：1671-9905(2016)05-0005-05随着工业生产规模化的加大，能源匮乏和环境同的价电子数，与氮的化学性质相似，也可以作为给污染的问题也越来越严重，寻求一些绿色的能源替电子基团掺杂到碳框架结构中。磷掺杂碳材料如磷[12]代传统的石油、化石燃料已经迫在眉睫。燃料电池掺杂碳纳米管已经有报道。Liu等用高温裂解甲作为一种将化学能直接转化为电能的装置，具有对苯和三苯基磷的方法制备了磷掺杂石墨片，并研究环境无污染、能量转换率高、不受卡诺循环的限制等了催化剂的电化学性能，发现其在

3、碱性介质中可以优点，成为解决目前的能源和环境问题的一种理想表现出良好的催化活性、长期稳定性和较高的耐甲的替代能源。醇抗毒性。目前，成本高和寿命短是制约燃料电池发展的石墨烯因其良好的电子传导性、巨大的比表面[13-16][17-18]两大突出问题，而导致这两大问题的关键因素之一积和电化学稳定性，在电化学传感、电池、在于电催化剂。众所周知，Pt催化剂因其在燃料电催化剂等多方面都有广阔的应用前景。目前，关于池阴极电催化中表现出极好的催化性能，被广泛应磷掺杂石墨烯的报道还很少。本文我们介绍一种用于燃料电池阴极催化剂中。但Pt价格比较昂贵,简单、易操作的方法来制

4、备磷掺杂的石墨烯。SEM、资源稀缺,稳定性比较差，因此寻找一种具有高活TEM和XPS测试证明，磷成功掺杂到石墨烯中。相性和高稳定性的非贵金属催化剂来取代铂基催化应的电化学测试表明，与商业化的铂催化剂相比，剂，成为近年来研究的热点。据文献报道，杂原子磷掺杂石墨烯表现出更好的催化活性和长期的稳定掺杂的碳纳米材料表现出杰出的氧还原性能，并且性。[1-5]价格相对于铂来说要廉价得多。硼掺杂的碳纳[6]1　实验部分米管材料也表现出明显的催化活性，随后又有研[7-8]究揭示硫或碘掺杂能提高石墨烯的电催化性能。1.1　磷掺杂石墨烯的制备大量的实验结果表明，通过掺杂改

5、变石墨或者碳纳分别称取相同质量的石墨烯和三苯基磷，加入米管的表面电子结构，对提高材料的氧还原电催化4mL的无水乙醇，放在超声波清洗仪中超声直至完[9-11]性能可能是一个切实可行的办法。全溶解。之后将所得的溶液取出放在烘箱中烘干待最近的研究证实，氮掺杂碳材料，如碳纳米管、用。石墨烯，有望取代铂基催化剂作为燃料电池的催化将烘干后所得的产物收集转移至石英舟中，然剂，因为它们在碱性介质中不仅表现出较高的催化后放在石英管内，通氩气保护。随后在管式炉中设活性、长期稳定性和优良的耐甲醇性能，而且还具有定所需的温度，盖上管式炉的盖子，升温，保持30成本低、对环境友好

6、等优点。磷与氮元素同族，有相收稿日期：2016-03-106化工技术与开发第45卷min；最后打开管式炉的盖子，常温冷却，在整个过程中始终保持管内的惰性气体氩气保护气氛。1.2　磷掺杂石墨烯的结构表征1.2.1扫描电镜（SEM）将粉末样品涂于碳导电胶后，在JSM-6700F电场发射扫描电镜（电压15kV，电子数3.0）下观察样品的表面形貌。1.2.2透射电镜（TEM）图1　磷掺杂石墨烯的扫描电镜图(a)，透射电镜图(b)采用JEOL-3010透射电子显微镜和高分辨透2.2X射线光电子能谱测试(XPS)射电子显微镜，将适量的粉末材料溶于乙醇中，超声X射线

7、光电子能谱测试可用于测定我们制备的分散后，将其滴于铜网上，干燥后用透射电镜（加速磷掺杂石墨烯材料中的元素构成，判断磷是否成功电压为200kV）观察其样品内部结构。引入到石墨烯中。1.2.3X射线光电子能谱（XPS）图2给出了1000℃处理的纯石墨烯和磷掺杂X射线光电子能谱采用了超高真空装置，配石墨烯的X射线光电子能谱图。通过对比我们发现，有单色铝钾Kα的X射线源和一个高分辨率的1000℃处理的纯石墨烯的全谱图中只存在C1s和O1sGammadata-ScientaSES2002分析仪，对实验样品的的峰，而1000℃处理的磷掺杂石墨烯的全谱中除了元素组分

8、结构进行分析。有C1s和O1s的峰，还出现了新的P2p峰，这恰恰证明1.3　磷掺杂石墨烯的电化