一种富含催化活性边界的二维PdCu纳米筛的制备方法与流程

本发明属于二维金属材料制备，涉及一种富含催化活性边界的二维pdcu纳米筛的制备方法。

背景技术：

1、现代社会不断增长的能源需求和不断增加的化石燃料消耗迫使研究人员探索和开发生态友好的可再生能源，以替代不可再生的化石燃料。燃料电池具有能量转换效率高、能量密度高、环境友好等显著优点，它将化学能直接转化为电能，被认为是克服未来能源危机的有前途的能源转换技术。其中，阴极氧还原反应（orr）缓慢的动力学过程和高的过电势是导致此类新能源器件效率低下的关键因素。由于电化学反应通常发生在催化剂表面，因此最大限度地增加催化活性位点的数量是提高电催化性能的一种有效策略。因此，为了最大限度地增加反应物或中间物种的活性吸附位点，提出了包括几何结构设计、表面改性和界面工程等研究策略。通常，设计和构建具有特殊纳米结构的催化剂可以增加催化剂的比表面积，并提供丰富的表面活性位点，从而改善电化学性能。迄今为止，已有大量研究致力于纳米结构的制备，包括一维（1d）纳米材料（纳米线、纳米棒、纳米管）、二维（2d）纳米材料（纳米片、纳米板、纳米筛）和三维（3d）纳米结构（如纳米花）。其中，二维纳米结构因其横向尺寸大、电子迁移率高、不饱和原子密度高而备受关注。此外，超薄的二维纳米结构使催化剂具有超高的比表面积和高的表面能，这使得它们非常适合于表面敏感的电化学反应。而且它还可以通过暴露高活性晶面来有效地展现超薄2d纳米材料的固有活性。因此，丰富的表面活性位点和形貌结构优势的有利于协同增强二维纳米结构的orr性能用于燃料电池。

2、铂基材料以其独特的电子结构和优良的催化性能成为目前研究最广泛的燃料电池催化剂。然而，其高昂的制造成本和较差的稳定性阻碍了燃料电池的大规模商业化生产。钯具有与pt相似的物理化学性质，具有丰度大、耐甲醇等优点，有望成为一种取代铂的高效电催化剂。但钯具有较强的氧结合力，在相对负电位下会被氧化，导致氧还原活性降低。因此，对于纯pd催化剂来说，由于其固有性质，orr的催化性能和稳定性难以接近pt，但通过与其他元素（特别是过渡金属）合金化，pd基催化剂的orr活性可以显著提高，并可进一步降低电催化剂的生产成本。相关研究表明，通过合金化，引入额外元素所产生的配体效应可以诱导不同原子间的有效电荷转移，从而显著提高电催化性能，同时可以降低贵金属 d带中心的位置，进而平衡催化反应中氧的吸附、中间体的氧化以及产物的释放，从而达到提高材料催化性能的目的。此外，纳米孔道的引入能增加活性位点数量，而异质元素掺杂能优化电子结构，提高活性位点本征活性。多孔结构。但是，制备具有孔道大小可控、丰富活性位点的金属基纳米材料仍然是一个巨大的挑战。

技术实现思路

1、本发明克服了现有技术的不足，本发明提供一种富含催化活性边界的二维pdcu纳米筛的制备方法。解决传统方法合成的贵金属纳米材料元素组成、尺寸和形貌不可控的缺陷，目的是综合提高二维贵金属纳米片的电催化剂的性能。

2、为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：

3、一种富含催化活性边界的二维pd纳米筛的制备方法，具体包括以下步骤：

4、a）将乙酰丙酮钯、乙酰丙酮铜、六羰基钼、十六烷基三甲基溴化铵与抗坏血酸加入到乙醇和超纯水的溶液中，室温下搅拌，使其充分反应。

5、b）将反应后的固液混合物多次分离并清洗，得到黑色固体。

6、c）将所述黑色固体干燥，得到二维pdcu纳米筛。

7、优选的，所述步骤a的乙醇溶液为无水乙醇与超纯水按照体积比为1:0.1-1配比制得。

8、优选的，乙酰丙酮钯、乙酰丙酮铜，六羰基钼、十六烷基三甲基溴化铵与抗坏血酸的摩尔量比为1:0.1-1:0.01-1:1-100:1-200。

9、优选的，所述步骤a的搅拌混合时间为48-72h。

10、优选的，步骤a所述的室温为10-25℃。

11、优选的，步骤b中所述清洗采用的清洗液是体积比1:1的乙醇和水的混合溶液。

12、优选的，步骤c中所述干燥为冷冻干燥或真空烘干。

13、本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：

14、本发明合成的二维pdcu纳米筛可用于燃料电池、金属空气电池的orr高效电催化剂。在室温搅拌过程中，以十六烷基三甲基溴化铵为二维模板，在还原剂抗坏血酸的作用下，乙酰丙酮钯、乙酰丙酮铜、六羰基钼得到充分的还原，半径较小的铜原子会进入pd原子之间的空隙中，与此同时，充足的二价钯离子还会将钼元素置换出，剩余钼元素的位置发生迁移，这些过程交织循环，最终得到富有缺陷的二维pdcu纳米筛。

15、与现有技术相比，本发明超薄的二维多孔纳米结构使得材料具有丰富的缺陷与晶格失配，以及过渡金属cu的掺杂，会调节局部电子结构和配位环境，进而提供优越的催化性能。另一方面，独特的多孔结构使得材料具有大的比表面积，可以为电荷传输和质量传递提供更多的“空间”，同时，孔洞的形成暴露了大量催化有利的低指数晶面，在晶面边缘具有许多高反应性的原子台阶，这些作为不饱和活性位点，可以大大提高电催化活性。

16、综上，结合两者的优势，使得制备的二维pdcu纳米筛具有极佳的电催化应用前景。本发明方法产量高，易操作，有利于对二维贵金属纳米材料进一步科学研究和推广应用。

技术特征：

1.一种富含催化活性边界的二维pdcu纳米筛的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种二维pdcu纳米筛的制备方法，其特征在于，所述步骤a的乙醇溶液为无水乙醇与超纯水按照体积比为1:0.1-10配比制得。

3.根据权利要求1所述的一种二维pdcu纳米筛的制备方法，其特征在于，乙酰丙酮钯、乙酰丙酮铜，六羰基钼、十六烷基三甲基溴化铵与抗坏血酸的摩尔量比为1:0.1-1:0.01-1:1-100:1-200。

4.根据权利要求1所述的一种二维pdcu纳米筛的制备方法，其特征在于，所述步骤a的搅拌混合时间为48-72h。

5.根据权利要求1所述的一种二维pdcu纳米筛的制备方法，其特征在于，步骤a中的室温为10-25℃。

6.根据权利要求1所述的一种二维pdcu纳米筛的制备方法，其特征在于，步骤b中清洗采用的清洗液是体积比1:1的乙醇和水的混合溶液。

7.根据权利要求1所述的一种二维pdcu纳米筛的制备方法，其特征在于，步骤c中的干燥为冷冻干燥。

技术总结
本发明涉及二维贵金属纳米材料技术领域，公开了一种富含催化活性边界的二维PdCu纳米筛的制备方法；具体是将乙酰丙酮钯、乙酰丙酮铜、六羰基钼，十六烷基三甲基溴化铵与抗坏血酸加入到乙醇与水的混合溶液中，搅拌均匀反应后，然后将所得固液混合物分离过清洗并干燥后，得到PdCu纳米筛；可用于燃料电池与金属空气电池氧还原反应的的高效电催化剂；本发明超薄的多孔纳米结构具有大比表面积和优异的电荷传输能力；孔洞的边缘暴露出大量对氧还原催化有利的低指数晶面及台阶，大大增加了不饱和活性位点的数量，有效提高了电催化活性；本发明方法产量高，易操作，能耗低，有利于对二维贵金属纳米材料进一步科学研究和推广应用。

技术研发人员：冯鑫亮,郭俊杰,刘培植,王旭东,王祥,王瑞强,王军华
受保护的技术使用者：山西青锋新材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10