[发明专利]一种MAX相负载金属电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种MAX相负载金属电催化剂及其制备方法和应用，属于纳米材料水分解催化剂技术领域，包括不同种类的211，312，413等MAX相氮化物或碳化物，以及多种贵金属和非贵金属的负载。本发明还公开了上述MAX相负载各种金属电催化剂的制备方法。与现有技术相比，在碱性电解液条件下，产氢和产氧所需过电势均很低，性能优于商业化的Pt/C(20％)析氢催化剂和RuOsubgt;2/subgt;和IrOsubgt;2/subgt;标准析氧催化剂；水分解所需最低电势为1.61V。本发明中所制得的催化剂具有较好的HER和OER电催化活性，在电化学水分解方面有较好的应用前景。

技术领域

本发明涉及纳米技术领域和电催化领域，具体涉及一种MAX相负载金属电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

能源和化学品资源是经济发展的物质基础，也是国家重要的战略资源。绿色、可再生、可持续的氢能，被认为是替代化石燃料的理想的新型能源载体，是解决全球生态环境危机的关键。而电解水制氢被认为是未来制氢产业中最具发展潜力的生产途径，因此高效析氢催化剂的设计与研发是目前国际能源研究领域的重点课题之一，对于电解水制氢产业的发展具有重要战略意义。

层状三元过渡金属碳化物，简称MAX相，通式为M_n+1AX_n(n＝1-3)，其中M为过渡金属元素，A代表IIIA和IVA主族元素，X代表碳或氮。MAX相组成丰富、品类近80种，因独特层状结构而兼具金属和陶瓷特性，在世界范围内引起了研究者的广泛兴趣。已有熔盐法通过元素置换合成新型MAX相使其家族不断壮大，进而可通过改变MAX相的组成和结构，调控材料的物理化学性质。MAX相可以成为析氢电催化剂和各种金属催化剂的负载基底，应用于电催化析氢析氧以及电催化全解水的理由如下：第一，MAX相中过渡金属d电子间键合对费米能级贡献量子态密度，使其具有与纯金属相当的导电和导热性能，研究发现大部分MAX相的电导率均处于10-50μΩ·cm，如Ti₃AlC₂和Ti₃SiC₂具有比Ti金属更低的电阻率，作电子供体有效加快电子传输和转移，可以极大地提升电化学析氢催化活性。第二，M-X间具有强的共价键，M-A间具有弱金属键，使MAX相具有结构陶瓷的高强度、抗氧化、耐腐蚀等苛刻环境的服役能力，尤其是含钝化金属如Al、Si等MAX相在大多数酸碱溶液中都会发生钝化现象，具有很强的抗腐蚀性能，如在HCl和NaOH溶液中，Cr₃AlC₂和Ti₃SiC₂电化学腐蚀速率小于2μm/年；第三，MAX相层状结构稳定，不会如MXene材料在电催化环境中发生层间交叠团聚而导致失活，具有超强稳定性。因此，MAX相材料拥有非常优异的导电性、结构稳定性和抗电化学腐蚀性，更可能极大地显著提高电极材料的催化活性和寿命，也有望成为各种金属催化剂的负载基底，应用于电催化析氢析氧以及电催化全解水，故在能源催化领域具有广阔的发展前景；但是目前，尚未有将新型MAX相材料直接用于催化领域或负载金属催化剂。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种MAX相负载金属的电催化剂，可实现高效的催化性能；本发明的目的之二在于提供上述MAX相负载型催化剂的制备方法，具有操作简单，容易实现各种贵金属和非贵金属负载的催化剂，包括单原子、团簇和颗粒金属的负载，而且制备成本低廉，绿色无毒性。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种MAX相负载各种金属的电催化剂，包括各种几十种不同MAX相负载催化剂，负载金属涉及贵金属和非贵金属，负载形式涉及单原子、团簇和纳米颗粒金属的负载。所述的MAX相负载各种金属的电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用层状MAX相粉体前驱体为载体，用超声波分散在50ml去离子水中30min，形成浓度约1-20mg/ml的分散液。MAX相为211、312、413中的一种MAX相氮化物或碳化物，如Ti₃AlC₂。