[发明专利]一种氮掺杂MXene载Pd催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及催化材料技术领域，提供了一种氮掺杂MXene载Pd催化剂的制备方法，本发明先利用HF溶液对MXene材料进行刻蚀，并控制刻蚀的时间，使MXene载体既能被充分剥离为层状材料，又能够防止过度剥离导致的层状材料的坍塌，使MXene载体具有较大的电化学活性表面积，使MXene载体具有优异的活性；通过水热反应利用氮源对MXene载体进行氮掺杂，氮掺杂一方面能够提高材料的催化活性；另一方面还能够提高MXene载体的稳定性；通过控制反应温度和时间在氮掺杂MXene载体上均匀地形成Pd，能够显著提高氮掺杂MXene载Pd催化剂的催化活性。本发明提供的催化剂具有优异的电催化活性和稳定性。

技术领域

本发明涉及催化材料技术领域，尤其涉及一种氮掺杂MXene载Pd催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

直接醇类燃料电池以其能量密度高、原料来源丰富、易于运输及存储等优点受到各国学者的广泛关注。其中，直接乙醇燃料电池(DEFCs)具有无毒和通过电解膜泄漏率低的优点。此外，乙醇是一种可再生资源，可以用生物原料发酵，对环境友好。因此，乙醇已成为最有希望的甲醇燃料替代品。然而，乙醇氧化的低效率和极其复杂的机理是阻碍DEFCs商业化的主要挑战。例如，乙醇通过C-C键的断裂完成12个电子的电催化氧化，会产生复杂的C＝O基中间体，它们强烈吸附在催化剂表面，使其具有毒性和失效，稳定性较差。因此，开发具有高催化活性和稳定性的阳极催化剂是十分必要和迫切的。

MXene材料是一类新型的二维过渡金属碳化物晶体材料，其化学式为M_n+1X_n(n＝1、2或3，M为过渡金属元素，X为碳或氮元素)。MXene材料具有特殊的片状结构和高比表面积，且具有良好的导电性，使催化剂具有更好的催化活性，在超级电容器、锂电池、氢存储等领域有着重要的应用。目前，MXene材料在作为载体使用时主要是通过液相剥离法制备二维层状结构材料。以Ti₃AlC₂为例，在室温下用HF溶液剥蚀母体MAX相，剥离Al元素，得到具有二维层状的结构的Ti₃C₂。虽然这种类石墨烯纳米层状材料具有高比表面积和高导电率等特殊性能，在储能、传感器、导电填充剂等应用领域展现出巨大的潜力。但是在富氧环境如空气和水中易被氧化，导致其变为氧化物，稳定性较差。因此，在将MXene材料作为载体制备高催化活性和稳定性的催化剂时还需要改善MXene材料的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮掺杂MXene载Pd催化剂及其制备方法和应用，本发明提供的氮掺杂MXene载Pd催化剂能够作为催化剂应用于乙醇等燃料电池中，且具有良好的稳定性和催化活性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种氮掺杂MXene载Pd催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将MXene材料与HF溶液混合进行刻蚀，得到MXene载体；所述刻蚀的时间为(24～32)h；

(2)将所述步骤(1)得到的MXene载体与氮源混合，进行水热反应，得到氮掺杂MXene载体；

(3)将所述步骤(2)得到的氮掺杂MXene载体与水和PdCl₂溶液混合，在50～60℃下反应4～6h，然后加入还原剂，进行氧化还原反应，得到氮掺杂MXene载Pd催化剂。

优选地，所述步骤(1)中的MXene材料包括Ti₃AlC₂、Ti₂C、V₂C和Mo₃C₂中的一种或多种。

优选地，所述步骤(1)中的刻蚀在室温下进行。

优选地，所述步骤(2)中的MXene载体的质量与氮源中氮元素的物质的量比为0.2g：(0.2～1)mol。