[发明专利]一种二维多孔碳负载催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明实施例公开了一种二维多孔碳复合材料、其制备方法及应用。该二维多孔碳复合材料是由二维石墨烯基或MXene基多孔碳及分布于多孔碳孔道内的金属、合金或金属间化合物纳米颗粒组成。二维石墨烯基或MXene基多孔碳骨架是以表面覆盖金属有机框架材料的石墨烯或MXene为前驱体高温碳化而成，其孔道可以分散金属催化剂，防止其团聚或脱落。同时，二维多孔碳的孔道有利于燃料的传输，而石墨烯或MXene基底有利于电子的传输。本发明的二维多孔碳负载催化剂可用作燃料电池的电极催化剂，展现出非常高的电催化活性和稳定性，从而提升燃料电池的性能。

技术领域

本发明涉及电催化领域，特别涉及一种二维多孔碳复合材料、其制备方法及应用。

背景技术

催化剂能够改变反应速率、降低反应的活化能，从而降低外加能量，减少能量的消耗，降低成本，使得新能源器件得以应用和推广。燃料电池具有体积小、能量密度高、无污染等优点，在电动汽车、移动设备等领域得到了广泛的应用，但是催化剂成本高以及稳定性差等问题阻碍了其推广使用，因而设计合适的催化剂来解决此问题势在必行。

金属催化剂如铂具有较高的电催化活性，但其表面易中毒而降低活性。合金催化剂由于并入新的原子使得催化剂的电子和几何结构发生改变，从而提高催化剂的活性和抗中毒能力，甚至有时能够改变催化反应的路径。金属间催化剂由于具有有序和稳定的结构，使得其稳定性和催化活性能够进一步的提升，因而受到广泛的关注。

发明内容

本发明实施例公开了一种二维多孔碳负载催化剂、其制备方法及应用，用于提高催化剂的催化性能和降低成本。技术方案如下：

本发明首先提供了一种二维多孔碳复合材料，其由二维石墨烯基或MXene基多孔碳及分布于多孔碳孔道内的金属、合金或金属间化合物纳米颗粒组成。

在本发明的一种优选实施方式中，所述金属、合金、金属间化合物的颗粒尺寸为2～10nm。

本发明还提供了上述二维多孔碳复合材料的制备方法，包括：

将电化学剥离石墨烯或HF刻蚀后剥离的MXene超声分散到极性非质子溶剂中，将有机配体以及金属前驱体加入到溶液中，室温下搅拌10小时，得到表面被金属有机框架材料(MOFs)覆盖的石墨烯或MXene纳米片；

如需制备合金，需要同时加入两种金属前驱体；

如需制备金属间化合物，需要将第二种金属前驱体加入悬浮液中，然后将还原剂加入到上述悬浮液，搅拌2～4小时，离心洗涤，真空干燥，得到固体粉末；

将得到的固体粉末在管式炉中500～1000℃焙烧2～5小时，得到二维多孔碳复合材料。

在本发明的一种优选实施方式中，所述极性溶剂选自于N,N-二甲基甲酰胺。在本发明的一种优选实施方式中，所述MOF选自于ZIF系列。

在本发明的一种优选实施方式中，所述第二种金属前驱体选自于氯铂酸。

在本发明的一种优选实施方式中，第二种金属前驱体与ZIF中金属离子的摩尔比例优选为0.5～1.5。

本发明还提供了一种燃料电池的电极材料，以上述二维多孔碳负载催化剂作为阳极或阴极催化剂。

通过上述的技术方案可知，本发明提供了一种二维多孔碳复合材料，由二维石墨烯基或MXene基多孔碳及分布于多孔碳孔道内的金属、合金或金属间化合物纳米颗粒组成。多孔碳的孔道可以分散金属催化剂，防止其团聚或脱落。同时，二维多孔碳的孔道有利于燃料的传输，而石墨烯或MXene基底有利于电子的传输。因此，该二维多孔碳负载催化剂可用作燃料电池的电极催化剂，展现出非常高的电催化活性和稳定性。

附图说明