一种质子交换膜燃料电池用耐CO的MXene基催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种质子交换膜燃料电池用耐CO的MXene基催化剂及其制备方法。该催化剂使用带正电的碳材料与带负电的MXene进行复合后作为质子交换膜燃料电池催化剂的载体，随后在所述载体上负载催化活性金属颗粒而获得。本发明专利技术中碳材料经表面活性剂修饰后与MXene纳米片生成的复合载体具有二位层状结构，将该复合材料作为质子交换膜燃料电池用耐CO的MXene基催化剂，不仅具有较好的催化活性，同时也具有优异的抗CO中毒性能。异的抗CO中毒性能。异的抗CO中毒性能。

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池用耐CO的MXene基催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，具体涉及一种质子交换膜燃料电池用耐CO的MXene基催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，我国高度重视氢能的发展，尤其是在氢燃料电池车领域。氢燃料电池车所使用的质子交换膜燃料电池具有高效率、设计简单、内部燃料直接转换、加燃料方便、容量大、比能量高、功率范围广、不用充电、零排放等诸多优点，然而质子交换膜燃料电池所用的催化剂很容易受CO的影响而引起催化剂中毒。由于目前工业附产是氢气的主要来源，相较于电解水制氢，工业附产氢由于原材料本身的问题，所制取的氢气将不可避免的含有一定含量的CO，若直接用于氢燃料电池汽车，将不可避免的造成催化剂中毒，从而影响燃料电池电堆的性能。因此，设计开发质子交换膜燃料电池用抗CO催化剂不仅可以显著降低氢气提纯成本，也可以直接推进氢燃料电池的商业化进程。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种质子交换膜燃料电池用耐CO的MXene基催化剂。该MXene基催化剂具有较好的催化活性，并具备优异的抗CO中毒性能。
[0004]本专利技术采取的技术方案具体如下：
[0005]一种质子交换膜燃料电池用耐CO的MXene基催化剂，该催化剂使用带正电的碳材料与带负电的MXene进行复合后作为质子交换膜燃料电池催化剂的载体，随后在所述载体上负载催化活性金属颗粒而获得。
[0006]进一步方案，该催化剂中包括0.1～20重量份MXene，0.1～20重量份碳材料以及1～60重量份催化活性金属颗粒。
[0007]进一步方案，所述MXene为Ti3C2、Ti2C、Nb3C2、Nb2C、TiNbC、Cr2TiC、Ti3CN、Ti4N3、Ta4C3、V2C、Mo2C、MoTiC2中的一种或几种。
[0008]进一步方案，所述碳材料为碳纳米管、氧化石墨烯、石墨烯、活性炭、介孔碳、碳纳米角中的一种或几种。
[0009]进一步方案，所述活性金属颗粒的前驱体为H2PtCl6·
6H2O、PdCl2、PtCl4、RuCl3·
3H2O、AuCl、Na2PdCl4、K2PdCl6中的一种或几种。
[0010]本专利技术还提供了一种所述的质子交换膜燃料电池用耐CO的MXene基催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：
[0011]步骤1、碳材料分散液制备：将0.1～20重量份的溶剂、0.1～20重量份的表面活性剂、0.1～20重量份的碳材料混合分散处理，之后将所得混合溶液过滤洗涤，并真空干燥，然后将真空干燥所得粉末溶解到一定量溶剂中，超声分散均匀，即获得表面活性剂修饰的碳材料分散液，所述碳材料分散液浓度0.1～20mg/mL；
[0012]MXene分散液制备：将MXene溶解到一定量溶剂中超声分散均匀，即获得MXene分散液，所述MXene分散液浓度0.1～10mg/mL；
[0013]步骤2、将所述碳材料分散液和MXene分散液混合并超声分散均匀，然后分离抽滤，真空干燥，获得MXene
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碳材料复合载体；
[0014]步骤3、将0.1～40重量份所述MXene
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碳材料复合载体分散到1～40重量份溶剂中超声分散均匀，获得MXene
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碳材料复合载体分散液；
[0015]步骤4、以催化活性金属颗粒的质量为催化剂总质量的1％～60％为比例将催化剂活性金属颗粒前驱体在溶剂中超声分散均匀后加入到所述MXene
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碳材料复合载体分散液中获得催化分散体系；
[0016]步骤5、将还原剂水溶液加入到所述催化分散体系中，之后离心洗涤，真空干燥，即可得到质子交换膜燃料电池用耐CO的MXene基催化剂。
[0017]进一步方案，所述催化分散体系中碳材料与MXene的质量比为(0.1～10):(0.1～10)。
[0018]进一步方案，所述催化剂活性金属颗粒前驱体与还原剂的质量比为(1～20):1。
[0019]进一步方案，所述溶剂为去离子水或无水乙醇；所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基吡啶溴化铵、十二烷基吡啶氯化铵、十八酰胺甲基氯化吡啶中的一种；所述还原剂为NaBH4、水合肼、LiBH4、甲醛、乙二醇中的一种。
[0020]进一步方案，所述超声分散时间0.1～20小时，真空干燥时间0.1～20小时。
[0021]本专利技术取得的技术效果为：
[0022](1)本专利技术中碳材料经表面活性剂修饰后带正电，与带负电的MXene纳米片生成的复合载体具有二位层状结构，将该复合材料作为质子交换膜燃料电池用耐CO的MXene基催化剂，不仅具有较好的催化活性，同时也具有优异的抗CO中毒性能。
[0023](2)本专利技术所述MXene基催化剂，其组分比例(0.1～20重量份MXene，0.1～20重量份碳材料以及1～60重量份催化活性金属颗粒)的选择保证了催化剂最优异的催化活性以及抗CO中毒性能：因为MXene与碳材料的组份比例将直接影响复合载体的形貌与性质，MXene相较于碳材料太多，会影响复合载体的导电性能从而影响整体催化活性，若碳材料相较于MXene太多则会影响活性颗粒在MXene的负载，从而影响其抗CO中毒性能。催化活性金属颗粒与复合载体的比值太高会造成活性颗粒的团聚，且增加成本，太低则会影响其性能。
[0024](3)本专利技术所述MXene基催化剂中所述MXene、碳材料、催化剂活性金属颗粒前驱体、表面活性剂类型的选择分别对催化剂性能带来的影响是：不同种类的MXene的选择会影响其活性与CO耐受性，碳载体的选择会影响复合载体的形貌与结构，催化剂活性金属颗粒前驱体的种类主要是对其活性和CO耐受性的影响，表面活性剂的种类主要是影响碳材料与MXene形成复合载体，所以本专利技术所提供的方案是保证催化剂获得最优催化活性以及抗CO中毒性能的必要条件。
[0025](4)本专利技术MXene基催化剂的制备方法每步操作的作用：将MXene与碳材料超声分散均匀是为了两种材料更好地复合，形成复合载体；将复合载体超声分散均匀是为了负载更多的活性颗粒，保证催化剂的催化活性；加入还原剂是为了将活性金属颗粒前驱体还原为活性颗粒，赋予催化剂催化性能。
[0026](5)本专利技术MXene基催化剂的制备方法中相应技术参数(如配方比例、时间等)的选
择对催化剂性能的影响具体是：MXene与碳材料的比例会显著影响复合载体的导电性能与结构形貌，从而影响活性颗粒在复合载体上的负载；超声时间过短会导致MXene、碳载体与活性金属颗粒前驱体分布不均匀，从而导致制备出的催化剂存在载体堆叠、活性颗粒团聚等问题；还原剂的量若加入较少则会导致活性金属颗粒前驱体还原不完全。
附图说明
[0027]图1是Pt/Ti3C2T
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CNT复合型催化剂与商业Pt/C催化剂在纯氢气与参入浓度为10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池用耐CO的MXene基催化剂，其特征在于：该催化剂使用带正电的碳材料与带负电的MXene进行复合后作为质子交换膜燃料电池催化剂的载体，随后在所述载体上负载催化活性金属颗粒而获得。2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用耐CO的MXene基催化剂，其特征在于：该催化剂中包括0.1～20重量份MXene，0.1～20重量份碳材料以及1～60重量份催化活性金属颗粒。3.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用耐CO的MXene基催化剂，其特征在于：所述MXene为Ti3C2、Ti2C、Nb3C2、Nb2C、TiNbC、Cr2TiC、Ti3CN、Ti4N3、Ta4C3、V2C、Mo2C、MoTiC2中的一种或几种。4.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用耐CO的MXene基催化剂，其特征在于：所述碳材料为碳纳米管、氧化石墨烯、石墨烯、活性炭、介孔碳、碳纳米角中的一种或几种。5.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用耐CO的MXene基催化剂，其特征在于：所述活性金属颗粒的前驱体为H2PtCl6·
6H2O、PdCl2、PtCl4、RuCl3·
3H2O、AuCl、Na2PdCl4、K2PdCl6中的一种或几种。6.一种如权利要求1
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5任一项所述的质子交换膜燃料电池用耐CO的MXene基催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、碳材料分散液制备：将0.1～20重量份的溶剂、0.1～20重量份的表面活性剂、0.1～20重量份的碳材料混合分散处理，之后将所得混合溶液过滤洗涤，并真空干燥，然后将真空干燥所得粉末溶解到一定量溶剂中，超声分散均匀，即获得表面活性剂修饰的碳材料分散液，所述碳材料分散液浓度0.1～20mg/mL；MXene分散液制备：将MXene溶解到一定量溶剂中...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晨曦，常周，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：