[发明专利]一种黑磷烯包覆的氧化铈基催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种黑磷烯包覆的氧化铈基催化剂及其制备方法与应用，该催化剂中黑磷烯的质量分数为1‑50%，氧化铈的质量分数为50‑99%，两者质量分数之和为100%。本发明所得催化剂具有良好活性和稳定性，且其中不含金属，尤其不含贵金属，可有效降低燃料电池的生产成本。

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，具体涉及一种黑磷烯包覆的氧化铈基催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

氧化铈（CeO₂）具有优异的氧存储/释放能力，广泛应用于燃料电池、三效催化、水煤气转换等领域。CeO₂中的铈元素可以在四价的氧化态和三价的还原态之间转换(Ce⁴⁺ ↔Ce³⁺)，且保持结构稳定。当CeO₂释放部分氧后，会形成氧空位，同时铈元素会被部分还原为Ce³⁺。氧空位的形成有助于CeO₂晶体中粒子（如氧、电子或杂质离子等）的扩散，从而提高离子导电性或电导率。当氧化铈作为催化剂载体负载金属时，其表面高的氧空穴浓度还可增强与金属的相互作用，提高催化剂活性和稳定性。黑磷烯是一种二维半导体材料，其导带顶-价带底带宽可随着材料厚度的不同在0-2 eV间调节。利用黑磷烯包覆氧化铈纳米颗粒，可有效调节氧化铈基催化剂的活性和稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种黑磷烯包覆的氧化铈基催化剂及其制备方法与应用，所得催化剂具有良好活性和稳定性，可用于制备燃料电池。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种黑磷烯包覆的氧化铈基催化剂，该催化剂中黑磷烯的质量分数为1-50%，氧化铈纳米颗粒的质量分数为50-99%，两者质量分数之和为100%。

所述黑磷烯是以红磷为原料制得的二维层状结构材料，其层数为1-20层。

所述氧化铈纳米颗粒的尺寸为1-100 nm。

所述黑磷烯包覆的氧化铈基催化剂的制备方法，是将红磷与氧化铈纳米颗粒混合并分散于煤油中，在保护性气氛下充分搅拌后过滤洗涤，然后将所得混合物在还原性气氛下加热一段时间，待其冷却后置于管式炉中，再在保护性气氛下分别于高温、低温环境中各保温处理一段时间，冷却即得所述黑磷烯包覆的氧化铈基催化剂。

其中，所用红磷与氧化铈纳米颗粒的质量比为1:1~100；

所用煤油与红磷的质量比为100~10:1；

所述保护性气氛由氮气、氩气、氦气中的一种或几种组成；

所述还原性气氛由氢气、一氧化碳中的一种或几种组成；

所述加热的温度为100~200 ℃，加热时间为60~600 min；

所述高温的温度为400~800 ℃，低温的温度为200~400 ℃，保温处理时间均为60~600 min。

所述黑磷烯包覆的氧化铈基催化剂可作为燃料电池催化剂，用于燃料电池的制备。

本发明的显著优点在于：本发明将黑磷烯包覆于氧化铈纳米颗粒表面，通过两者间存在的强的相互作用，使所得催化剂具有良好活性和耐久性，且本发明催化剂中不含金属，尤其不含贵金属，可在保证催化剂性能的前提下有效降低燃料电池的生产成本。

附图说明

图1为本发明黑磷烯包覆的氧化铈催化剂的结构示意图。

图2为实施例1-4制备的黑磷烯包覆的氧化铈基催化剂的电化学氧还原反应性能曲线。

具体实施方式