基于还原石墨烯氧化物的氧析出电极的制备方法

摘要

本发明公开了一种基于还原石墨烯氧化物的氧析出电极的制备方法，包括以下步骤：1）将石墨粉进行氧化制备石墨氧化物；2）将步骤1）制备的石墨氧化物进行超声处理制备石墨烯氧化物；3）将步骤2）制备的石墨烯氧化物加水稀释；4）将步骤3）得到的稀释后的石墨烯氧化物溶液进行水热还原反应，得到的产物即为基于还原石墨烯氧化物的氧析出电极。本发明制备的基于还原石墨烯氧化物的氧析出电极具有优良的氧析出催化性能和长期稳定性，可替代昂贵的铱及其氧化物电极，并广泛应用于光解水和金属-空气电池以及其他能源转换装置等领域，具备较高的实用价值，并且本发明的原料为普通石墨粉，原料来源广泛、价格低廉、制备方法简单、适合大规模生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧析出电极的制备方法，具体涉及一种基于还原石墨烯氧化物的氧析出电极的制备方法。

背景技术

氧气的析出反应是最重要的电催化反应之一，广泛应用于光解水和金属-空气电池等领域。铱及其氧化物电极是目前氧析出反应传统的电极也是最常用的电极，但铱作为贵金属，其价格昂贵、资源有限，且长时间运行时性能损失严重，阻碍了光解水和金属-空气电池等领域的商业化发展。针对铱及其氧化物电极价格昂贵、资源有限、长时间运行时性能损失严重等严重不足，近年来研究发现某些过渡金属元素（例如钴和镍）氧化物材料表现出一定的氧析出性能，但过渡金属氧化物氧析出过电位通常较高，效果不理想，并且步骤繁琐，难于实现大规模生产。例如：A Perovskite Oxide Optimized for Oxygen Evolution Catalysis from Molecular Orbital Principles. Jin Suntivich et al. Science 334, 1383 (2011). DOI: 10.1126/science.1212858；An Advanced Ni-Fe Layered Double Hydroxide Electrocatalyst for Water Oxidation. Ming Gong et al. J. Am. Chem. Soc. 135, 8452(2013). DOI: 10.1021/ja4027715; Nitrogen-doped carbon nanomaterials as non-metal electrocatalysts for water oxidation. Nature Communications 4, 2390(2013). DOI:10.1038/ncomms3390.

因此，研究一种高效、价格便宜、稳定可靠、制备步骤简单的氧析出电极显得十分必要。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于还原石墨烯氧化物的氧析出电极的制备方法，该电极具有优良的氧析出催化性能和长期稳定性，并且原材料来源丰富、制备方法简单、价格低廉。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的基于还原石墨烯氧化物的氧析出电极的制备方法，包括以下步骤：

1）将石墨粉进行氧化制备石墨氧化物；

2）将步骤1）制备的石墨氧化物进行超声处理制备石墨烯氧化物；

3）将步骤2）制备的石墨烯氧化物加水稀释；

4）将步骤3）得到的稀释后的石墨烯氧化物溶液进行水热还原反应，得到的产物即为基于还原石墨烯氧化物的氧析出电极。

进一步，所述步骤1）中，使用浓硫酸、硝酸钠以及高锰酸钾将石墨粉氧化，制备石墨氧化物。

进一步，所述步骤2）中，将石墨氧化物在4~50℃下超声处理6~24h，制备石墨烯氧化物。

进一步，所述步骤3）得到的稀释后的石墨烯氧化物溶液浓度为0.1~1.0 mg/ml。

进一步，所述步骤4）中，水热还原反应温度为120~200℃，反应时间为6~24h。

本发明的有益效果在于：

本发明将石墨氧化并超声后得到石墨烯氧化物，然后将石墨烯氧化物稀释，最后经过水热还原反应制备出基于还原石墨烯氧化物的氧析出电极，经实验证明，该电极具有优良的氧析出催化性能和长期稳定性，并且本发明的原料为普通石墨粉，原料来源广泛、价格低廉、制备方法简单、适合大规模生产。

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。自2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯以来，石墨烯因其具有的良好的电导性能、透光性能和柔性性能，使它在触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等领域作为透明电导电极得到了广泛的应用。而由本发明的方法制备的还原石墨烯氧化物具有高效的氧析出催化性能，可以作为氧析出电极使用，从而拓展了石墨烯的应用范围，本发明制备的基于还原石墨烯氧化物的氧析出电极可替代昂贵的铱及其氧化物电极，并广泛应用于光解水和金属-空气电池以及其他能源转换装置等领域，具备较高的实用价值。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为实施例1制备的还原石墨烯氧化物电极的透射电镜图；

图2为实施例1制备的还原石墨烯氧化物电极和氧化铱/碳电极在氧气饱和0.1M KOH溶液中的极化曲线比较图；

图3为实施例1制备的还原石墨烯氧化物电极和氧化铱/碳电极在氧气饱和0.1M KOH溶液中的稳定性比较图；

图4为实施例2制备的还原石墨烯氧化物电极的透射电镜图；

图5为实施例2制备的还原石墨烯氧化物电极和氧化铱/碳电极在氧气饱和0.1M KOH溶液中的极化曲线比较图；

图6为实施例2制备的还原石墨烯氧化物电极和氧化铱/碳电极在氧气饱和0.1M KOH溶液中的稳定性比较图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

本实施例的基于还原石墨烯氧化物的氧析出电极的制备方法，包括以下步骤：

1）使用浓硫酸、硝酸钠以及高锰酸钾将石墨粉氧化，制备石墨氧化物；

2）将步骤1）制备的石墨氧化物在10℃下超声处理10h，制备石墨烯氧化物；

3）将步骤2）制备的石墨烯氧化物加水稀释至浓度为0.5 mg/ml；

4）将步骤3）得到的稀释后的石墨烯氧化物溶液在180℃下水热还原反应12h，得到的产物即为基于还原石墨烯氧化物的氧析出电极。

图1为实施例1制备的还原石墨烯氧化物电极的透射电镜图；从图中可以清晰的看出片状的还原石墨烯氧化物结构。

图2为实施例1制备的还原石墨烯氧化物电极和氧化铱/碳电极在氧气饱和0.1M KOH溶液中的极化曲线比较图，发现和氧化铱/碳电极相比，还原石墨烯氧化物电极表现出更负的起始电位，说明还原石墨烯氧化物电极具有高效的氧析出催化性能。

图3为实施例1制备的还原石墨烯氧化物电极和氧化铱/碳电极在氧气饱和0.1M KOH溶液中的稳定性比较图，发现和氧化铱/碳电极相比，运行4000s后，还原石墨烯氧化物电极具有更负的电位 1.46 V，即比氧化铱/碳电极电位提高了约57mV，说明还原石墨烯氧化物电极更适合长期的运行，具有更高的稳定性。

上述实验数据表明，实施例1制备的还原石墨烯氧化物电极具有优良的氧析出催化性能和长期稳定性，可替代昂贵的铱及其氧化物电极，作为氧析出电极使用。

实施例2

本实施例的基于还原石墨烯氧化物的氧析出电极的制备方法，包括以下步骤：

1）使用浓硫酸、硝酸钠以及高锰酸钾将石墨粉氧化，制备石墨氧化物；

2）将步骤1）制备的石墨氧化物在15℃下超声处理12h，制备石墨烯氧化物；

3）将步骤2）制备的石墨烯氧化物加水稀释至浓度为1.0mg/ml；

4）将步骤3）得到的稀释后的石墨烯氧化物溶液在200℃下水热还原反应10h，得到的产物即为基于还原石墨烯氧化物的氧析出电极。

图4为实施例2制备的还原石墨烯氧化物电极的透射电镜图；从图中可以清晰的看出片状的还原石墨烯氧化物结构。

图5为实施例2制备的还原石墨烯氧化物电极和氧化铱/碳电极在氧气饱和0.1M KOH溶液中的极化曲线比较图，发现和氧化铱/碳电极相比，还原石墨烯氧化物电极表现出更负的起始电位，说明还原石墨烯氧化物电极具有高效的氧析出催化性能。

图6为实施例2制备的还原石墨烯氧化物电极和氧化铱/碳电极在氧气饱和0.1M KOH溶液中的稳定性比较图，发现和氧化铱/碳电极相比，运行3000s后，还原石墨烯氧化物电极具有更负的电位 1.48 V，即比氧化铱/碳电极电位提高了约48mV，说明还原石墨烯氧化物电极更适合长期的运行，具有更高的稳定性。

上述实验数据表明，实施例2制备的还原石墨烯氧化物电极具有优良的氧析出催化性能和长期稳定性，可替代昂贵的铱及其氧化物电极，作为氧析出电极使用。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。