[发明专利]一种负载在硒掺杂MXene上的二元钯锡纳米合金催化剂的制备及其应用

说明书

本发明属于电催化甲醇氧化技术领域，具体涉及一种负载在硒掺杂MXene上的二元钯锡纳米合金催化剂的制备及其应用。本发明先将硒粉与MXene纳米片经过高温煅烧制备成硒掺杂的MXene片，然后采用渐进式一步电化学沉积方法将钯锡纳米合金锚定在硒掺杂的MXene片上而制备得到负载在硒掺杂MXene上的二元钯锡纳米合金催化剂。该催化剂具有很好的导电性和较高的比表面积，钯锡纳米合金颗粒均匀分布在MXene上，活性位点密集，在催化过程中有利于气固液三相界面的反应，有利于催化剂的高效稳定工作，有望应用于甲醇氧化，以及甲醇燃料电池中。

技术领域

本发明属于电催化甲醇氧化技术领域，具体涉及一种负载在硒掺杂MXene上的二元钯锡纳米合金催化剂的制备及其应用。

背景技术

可持续发展一直是当今人类文明进步的必然趋势，近年来，随着以化石燃料为基础的能源体系所带来的环境污染和资源枯竭问题的日益严重，对清洁能源、可再生能源的需求也更为迫切。电能一直是一种高效又环保的能源形式，自19世纪60、70年代开始，电能已然成为了人类社会不可或缺的一部分。从电动车的普及，再到几乎人手一部的智能手机，电能的重要性不言而喻。但是作为一种二次能源，电能的存储与转化一直都是研究的热点和重点。在各种电能存储技术中，电化学储能因为寿命长、能量密度较高而受到高度重视和广泛应用。在现有的电化学储能系统中，锂离子电池占据了很大一部分比例。虽然锂离子电池现在仍在被广泛使用，但由于存在锂资源稀缺、比能量密度有限以及安全隐患等问题，取而代之的可充电电池装置越来越受到人们的关注。

甲醇燃料电池(DMFC)由于具有高能量密度、高便携性和安全性等优点，被认为是电动汽车和便携式电子产品电气化中能源系统的候选者。DMFCs器件效率的主要影响因素是甲醇氧化反应(MOR)催化剂的活性和耐久性。然而，DMFCs的效率远远不能令人满意，主要原因是MOR期间的一氧化碳中毒问题。近年来，人们普遍认为贵金属(如钯，铂)是MOR的催化剂，这主要是由于其大量的活性表面电子状态。然而，这些贵金属基催化剂会受到甲醇中间体的影响。迄今为止，已有研究报道了优化贵金属甲醇氧化催化剂的结构和组成，包括将催化剂的尺寸缩小到原子水平，将活性位点锚定在良好的支撑材料上，或者与其他非贵金属(如Cu，Co，Ni)结合。一般来说，贵金属基纳米材料的催化活性和稳定性的提高主要取决于贵金属中心与附加元素之间的协同作用。而这种协同作用可通过亲氧金属或配位元素与贵金属之间的相互作用来验证，以引起活性中心电子状态的改善为衡量标准。例如，由于Pt-Co距离的缩短，Pt-Co位点的电催化甲醇氧化活性和稳定性显著提高，可促进Co位点的OH自由基与相邻Pt位点的甲醇中间体结合。这种短距离增强效应和协同相互作用也体现在Pt-Au和Pd-Ni双金属催化体系中。然而，目前尚缺少真正能有效提高贵金属催化剂的电催化甲醇氧化反应活性的技术。

MXenes作为一类二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，由于具有可调化学活性、良好的电子导电性和独特的机械性能等，而获得了极大的关注。一些研究表明，MXenes有望用作燃料电池催化剂的支持材料。例如，Ti₃C₂已被用作有效的基材以及Pd、Pt纳米棒和Pt-Pd双金属催化剂的支撑基底。然而，目前仍鲜有在MXene载体上构建高电催化催化剂的技术。最近的研究表明，将外来原子引入MXene可以促进电荷转移，改善反应动力学并提高催化活性。硒具有丰富的d轨道电子和独特的电极化性，因此以之作为MXene的掺杂剂具有巨大的潜力。

综上，有必要制备一种基于硒掺杂MXene的高电催化催化剂。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种负载在硒掺杂MXene上的二元钯锡纳米合金催化剂的制备方法，所制得的催化剂具有很好的导电性和较高的比表面积，钯锡纳米合金颗粒均匀分布在MXene上，活性位点密集，具有优异的甲醇氧活性以及较稳定的甲醇氧化催化性能。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：