一種二維嵌層結構催化劑及其制備方法與應用與流程

本發明屬于催化劑制備技術領域，具體涉及一種二維嵌層結構催化劑及其制備方法與應用。

背景技術：

質子交換膜燃料電池以其高效率、零污染等優點而受到廣泛關注，在交通運輸、移動電源及備用電站等領域具有廣闊的應用前景。目前質子交換膜燃料電池主要以碳材料負載的鉑及鉑基金屬作為催化劑，具有較高的催化效率。但由于現有催化劑的耐久性較差，導致了質子交換膜燃料電池的成本居高不下。因此，開發具有高耐久性的質子交換膜燃料電池催化劑具有非常重要的意義。

技術實現要素：

本發明針對現有技術的不足，提供了一種二維嵌層結構催化劑及其制備方法與應用，其具有良好的耐久性及高穩定性，能夠提高燃料電池的壽命。

為實現上述目的，本發明采取如下方案：

一種二維嵌層結構催化劑，其是以二維層狀結構的黑磷烯作為載體，將貴金屬嵌入其層狀結構中制備而成；其中，貴金屬的含量為載體重量的2-500%。

所述二維層狀結構的黑磷烯含2-50層。

所述貴金屬為金、銀、鉑、釕、銠、鈀、鋨、銥中的一種或幾種。

所述二維嵌層結構催化劑的制備方法，是將黑磷烯與貴金屬前驅體分散于溶劑中，充分攪拌使其分散均勻；然后加入硼氫化鈉水溶液并充分攪拌，過濾；所得產物在保護性氣氛下加熱干燥，再于保護性氣氛下球磨，得到所述二維嵌層結構催化劑。

其中，黑磷烯與貴金屬前驅體的質量比為1:0.05~10，所述貴金屬前驅體包括氯鉑酸、氯鈀酸、氯金酸及貴金屬的氯化物、硝酸鹽、硫酸鹽中的任意一種；

所述溶劑為水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、異丙醇中的一種或幾種；

所述攪拌的時間為30~180分鐘；

所述硼氫化鈉水溶液的濃度為0.5~10mol/l；

所述保護性氣氛由氮氣、氬氣、氦氣中的一種或幾種組成；

所述加熱干燥的溫度為100~180℃，時間為6~60h；

所述球磨的時間為10~100小時。

所得二維嵌層結構催化劑具有良好耐久性及高穩定性，可用于作為質子交換膜燃料電池催化劑。

本發明的顯著優點在于：本發明通過在二維層狀材料中形成金屬嵌層結構，使貴金屬催化劑固定于二維層狀材料的層間，以阻礙貴金屬催化劑的遷移與長大，從而實現催化劑良好的耐久性，將該催化劑用于作為質子交換膜燃料電池催化劑，有助于提高燃料電池的壽命。

附圖說明

圖1為本發明制備的二維嵌層結構催化劑的結構示意圖。

圖2為實施例1-8制備的二維嵌層結構催化劑經循環伏安測試后的剩余活性面積對比情況。

具體實施方式

為了使本發明所述的內容更加便于理解，下面結合具體實施方式對本發明所述的技術方案做進一步的說明，但是本發明不僅限于此。

實施例1

1）將1g黑磷烯（所用黑磷烯的層數為2層）與0.05g貴金屬前驅體氯鉑酸分散于10ml水中，充分攪拌30分鐘使其分散均勻；

2）向步驟2）所得分散液中加入100ml濃度為0.5mol/l硼氫化鈉水溶液，充分攪拌30分鐘；

3）過濾，所得產物在氮氣保護下于100℃加熱干燥60小時；

4）將步驟3）所得產物于氮氣保護下球磨10小時，得到鉑金屬嵌入黑磷烯層間的具有高耐久性的二維嵌層結構催化劑。

實施例2

1）將1g黑磷烯（所用黑磷烯的層數為50層）與10g貴金屬前驅體氯鉑酸分散于100ml乙醇中，充分攪拌180分鐘使其分散均勻；

2）向步驟2）所得分散液中加入10ml濃度為10mol/l硼氫化鈉水溶液，充分攪拌180分鐘；

3）過濾，所得產物在氬氣保護下于180℃加熱干燥6小時；

4）將步驟3）所得產物于氬氣保護下球磨100小時，得到鉑金屬嵌入黑磷烯層間的具有高耐久性的二維嵌層結構催化劑。

實施例3

1）將1g黑磷烯（所用黑磷烯的層數為25層）與5g貴金屬前驅體氯化釕分散于55ml丙醇中，充分攪拌80分鐘使其分散均勻；

2）向步驟2）所得分散液中加入55ml濃度為5mol/l硼氫化鈉水溶液，充分攪拌80分鐘；

3）過濾，所得產物在氦氣保護下于140℃加熱干燥30小時；

4）將步驟3）所得產物于氦氣保護下球磨60小時，得到釕金屬嵌入黑磷烯層間的具有高耐久性的二維嵌層結構催化劑。

實施例4

1）將1g黑磷烯（所用黑磷烯的層數為30層）與0.6g貴金屬混合前驅體（氯金酸與氯化鈀按摩爾比1:1混合）分散于體積比為1:1的50ml水/丙醇混合液中，充分攪拌100分鐘使其分散均勻；

2）向步驟2）所得分散液中加入30ml濃度為6mol/l硼氫化鈉水溶液，充分攪拌100分鐘；

3）過濾，所得產物在體積比1:1的氮氣/氦氣混合氣體保護下于150℃加熱干燥20小時；

4）將步驟3）所得產物于體積比1:1的氮氣/氦氣混合氣體保護下球磨60小時，得到鈀金合金嵌入黑磷烯層間的具有高耐久性的二維嵌層結構催化劑。

實施例5

1）將1g黑磷烯（所用黑磷烯的層數為20層）與0.8g貴金屬混合前驅體（硝酸銀與氯鉑酸按摩爾比1:2混合）分散于60ml水中，充分攪拌60分鐘使其分散均勻；

2）向步驟2）所得分散液中加入70ml濃度為4mol/l硼氫化鈉水溶液，充分攪拌60分鐘；

3）過濾，所得產物在體積比1:3的氮氣/氬氣混合氣體保護下于110℃加熱干燥50小時；

4）將步驟3）所得產物于體積比1:3的氮氣/氬氣混合氣體保護下球磨30小時，得到鉑銀合金嵌入黑磷烯層間的具有高耐久性的二維嵌層結構催化劑。

實施例6

1）將1g黑磷烯（所用黑磷烯的層數為20層）與1g貴金屬混合前驅體（氯化銠與氯鉑酸按摩爾比2:1混合）分散于80ml水中，充分攪拌120分鐘使其分散均勻；

2）向步驟2）所得分散液中加入60ml濃度為7mol/l硼氫化鈉水溶液，充分攪拌120分鐘；

3）過濾，所得產物在氬氣保護下于120℃加熱干燥30小時；

4）將步驟3）所得產物于氬氣保護下球磨70小時，得到鉑銠合金嵌入黑磷烯層間的具有高耐久性的二維嵌層結構催化劑。

實施例7

1）將1g黑磷烯（所用黑磷烯的層數為20層）與1g貴金屬混合前驅體（氯鋨酸鉀與氯鉑酸按摩爾比2:1混合）分散于10ml乙二醇中，充分攪拌100分鐘使其分散均勻；

2）向步驟2）所得分散液中加入40ml濃度為7mol/l硼氫化鈉水溶液，充分攪拌100分鐘；

3）過濾，所得產物在氬氣保護下于120℃加熱干燥30小時；

4）將步驟3）所得產物于氬氣保護下球磨70小時，得到鉑鋨合金嵌入黑磷烯層間的具有高耐久性的二維嵌層結構催化劑。

實施例8

1）將1g黑磷烯（所用黑磷烯的層數為40層）與2g貴金屬混合前驅體（氯化銥與氯鉑酸按摩爾比10:1混合）分散于15ml乙二醇中，充分攪拌160分鐘使其分散均勻；

2）向步驟2）所得分散液中加入80ml濃度為6mol/l硼氫化鈉水溶液，充分攪拌160分鐘；

3）過濾，所得產物在氮氣保護下于170℃加熱干燥10小時；

4）將步驟3）所得產物于氮氣保護下球磨60小時，得到鉑銥合金嵌入黑磷烯層間的具有高耐久性的二維嵌層結構催化劑。

圖1為本發明制備的二維嵌層結構催化劑的結構示意圖。

圖2為實施例1-8制備的二維嵌層結構催化劑經循環伏安測試后的剩余活性面積對比情況。由圖2可見，經過10000圈的循環伏安測試后，pt/c催化劑的剩余活性面積僅為初始的15%，而本發明制備的催化劑的剩余活性面積均超過了初始的40%，表明本發明催化劑具有很好的耐久性。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。