本發(fā)明屬于催化劑制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種二維嵌層結(jié)構(gòu)催化劑及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

質(zhì)子交換膜燃料電池以其高效率、零污染等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注，在交通運(yùn)輸、移動(dòng)電源及備用電站等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前質(zhì)子交換膜燃料電池主要以碳材料負(fù)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(xiàn)有催化劑的耐久性較差，導(dǎo)致了質(zhì)子交換膜燃料電池的成本居高不下。因此，開發(fā)具有高耐久性的質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑具有非常重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種二維嵌層結(jié)構(gòu)催化劑及其制備方法與應(yīng)用，其具有良好的耐久性及高穩(wěn)定性，能夠提高燃料電池的壽命。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下方案：

一種二維嵌層結(jié)構(gòu)催化劑，其是以二維層狀結(jié)構(gòu)的黑磷烯作為載體，將貴金屬嵌入其層狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)催化劑的制備方法，是將黑磷烯與貴金屬前驅(qū)體分散于溶劑中，充分?jǐn)嚢枋蛊浞稚⒕鶆?；然后加入硼氫化鈉水溶液并充分?jǐn)嚢?，過(guò)濾；所得產(chǎn)物在保護(hù)性氣氛下加熱干燥，再于保護(hù)性氣氛下球磨，得到所述二維嵌層結(jié)構(gòu)催化劑。

其中，黑磷烯與貴金屬前驅(qū)體的質(zhì)量比為1:0.05~10，所述貴金屬前驅(qū)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(shí)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(hù)性氣氛由氮?dú)?、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(shí)間為6~60h；

所述球磨的時(shí)間為10~100小時(shí)。

所得二維嵌層結(jié)構(gòu)催化劑具有良好耐久性及高穩(wěn)定性，可用于作為質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑。

本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明通過(guò)在二維層狀材料中形成金屬嵌層結(jié)構(gòu)，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(zhǎng)大，從而實(shí)現(xiàn)催化劑良好的耐久性，將該催化劑用于作為質(zhì)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(shuō)明

圖1為本發(fā)明制備的二維嵌層結(jié)構(gòu)催化劑的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實(shí)施例1-8制備的二維嵌層結(jié)構(gòu)催化劑經(jīng)循環(huán)伏安測(cè)試后的剩余活性面積對(duì)比情況。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明所述的內(nèi)容更加便于理解，下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所述的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明，但是本發(fā)明不僅限于此。

實(shí)施例1

1）將1g黑磷烯（所用黑磷烯的層數(shù)為2層）與0.05g貴金屬前驅(qū)體氯鉑酸分散于10ml水中，充分?jǐn)嚢?0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?jǐn)嚢?0分鐘；

3）過(guò)濾，所得產(chǎn)物在氮?dú)獗Ｗo(hù)下于100℃加熱干燥60小時(shí)；

4）將步驟3）所得產(chǎn)物于氮?dú)獗Ｗo(hù)下球磨10小時(shí)，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(jié)構(gòu)催化劑。

實(shí)施例2

1）將1g黑磷烯（所用黑磷烯的層數(shù)為50層）與10g貴金屬前驅(qū)體氯鉑酸分散于100ml乙醇中，充分?jǐn)嚢?80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?jǐn)嚢?80分鐘；

3）過(guò)濾，所得產(chǎn)物在氬氣保護(hù)下于180℃加熱干燥6小時(shí)；

4）將步驟3）所得產(chǎn)物于氬氣保護(hù)下球磨100小時(shí)，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(jié)構(gòu)催化劑。

實(shí)施例3

1）將1g黑磷烯（所用黑磷烯的層數(shù)為25層）與5g貴金屬前驅(qū)體氯化釕分散于55ml丙醇中，充分?jǐn)嚢?0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?jǐn)嚢?0分鐘；

3）過(guò)濾，所得產(chǎn)物在氦氣保護(hù)下于140℃加熱干燥30小時(shí)；

4）將步驟3）所得產(chǎn)物于氦氣保護(hù)下球磨60小時(shí)，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(jié)構(gòu)催化劑。

實(shí)施例4

1）將1g黑磷烯（所用黑磷烯的層數(shù)為30層）與0.6g貴金屬混合前驅(qū)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?jǐn)嚢?00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?jǐn)嚢?00分鐘；

3）過(guò)濾，所得產(chǎn)物在體積比1:1的氮?dú)?氦氣混合氣體保護(hù)下于150℃加熱干燥20小時(shí)；

4）將步驟3）所得產(chǎn)物于體積比1:1的氮?dú)?氦氣混合氣體保護(hù)下球磨60小時(shí)，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(jié)構(gòu)催化劑。

實(shí)施例5

1）將1g黑磷烯（所用黑磷烯的層數(shù)為20層）與0.8g貴金屬混合前驅(qū)體（硝酸銀與氯鉑酸按摩爾比1:2混合）分散于60ml水中，充分?jǐn)嚢?0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?jǐn)嚢?0分鐘；

3）過(guò)濾，所得產(chǎn)物在體積比1:3的氮?dú)?氬氣混合氣體保護(hù)下于110℃加熱干燥50小時(shí)；

4）將步驟3）所得產(chǎn)物于體積比1:3的氮?dú)?氬氣混合氣體保護(hù)下球磨30小時(shí)，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(jié)構(gòu)催化劑。

實(shí)施例6

1）將1g黑磷烯（所用黑磷烯的層數(shù)為20層）與1g貴金屬混合前驅(qū)體（氯化銠與氯鉑酸按摩爾比2:1混合）分散于80ml水中，充分?jǐn)嚢?20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?jǐn)嚢?20分鐘；

3）過(guò)濾，所得產(chǎn)物在氬氣保護(hù)下于120℃加熱干燥30小時(shí)；

4）將步驟3）所得產(chǎn)物于氬氣保護(hù)下球磨70小時(shí)，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(jié)構(gòu)催化劑。

實(shí)施例7

1）將1g黑磷烯（所用黑磷烯的層數(shù)為20層）與1g貴金屬混合前驅(qū)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?jǐn)嚢?00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?jǐn)嚢?00分鐘；

3）過(guò)濾，所得產(chǎn)物在氬氣保護(hù)下于120℃加熱干燥30小時(shí)；

4）將步驟3）所得產(chǎn)物于氬氣保護(hù)下球磨70小時(shí)，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(jié)構(gòu)催化劑。

實(shí)施例8

1）將1g黑磷烯（所用黑磷烯的層數(shù)為40層）與2g貴金屬混合前驅(qū)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?jǐn)嚢?60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?jǐn)嚢?60分鐘；

3）過(guò)濾，所得產(chǎn)物在氮?dú)獗Ｗo(hù)下于170℃加熱干燥10小時(shí)；

4）將步驟3）所得產(chǎn)物于氮?dú)獗Ｗo(hù)下球磨60小時(shí)，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(jié)構(gòu)催化劑。

圖1為本發(fā)明制備的二維嵌層結(jié)構(gòu)催化劑的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實(shí)施例1-8制備的二維嵌層結(jié)構(gòu)催化劑經(jīng)循環(huán)伏安測(cè)試后的剩余活性面積對(duì)比情況。由圖2可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)10000圈的循環(huán)伏安測(cè)試后，pt/c催化劑的剩余活性面積僅為初始的15%，而本發(fā)明制備的催化劑的剩余活性面積均超過(guò)了初始的40%，表明本發(fā)明催化劑具有很好的耐久性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。