一种MXenes复合物催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于催化剂技术领域，具体涉及一种MXenes复合物催化剂及其制备方法和应用，制备方法包括：(1)将MXenes粉体与过渡金属盐加入到溶剂中混合均匀得到吸附过渡金属的MXenes溶液；所述MXenes粉体中的M为Ti、Nb和Mo中的一种，X为C或N；(2)将有机配体溶液加入到吸附过渡金属的MXenes溶液中混合均匀得到悬浊液，分离沉淀得到前驱体；(3)将前驱体煅烧、酸洗后即可得到MXenes复合物催化剂。本发明专利技术通过改进MXenes复合物的制备工艺，有效地调节了催化剂对于O2、*OOH的吸附能力，使得过渡金属与MXenes有强相互作用，具有优异的电化学合成过氧化氢性能，制备工艺简单，成本低，适用于工业大规模生产。大规模生产。大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种MXenes复合物催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于催化剂
，具体涉及一种MXenes复合物催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]过氧化氢H2O2是世界上最重要的100种化学品之一，是公认的环境友好型氧化剂，在化学品合成、食品消毒、纸浆漂白、污水处理等各行业均有广泛应用。H2O2的传统合成方法蒽醌法，能耗高、污染大，且生产的H2O2浓度高，存在安全隐患不便于运输。利用电化学方法生产H2O2，具有绿色无污染、可现场生产等优点，受到国内外研究者的广泛关注。其中氧气阴极还原法(ORR)是目前最具前景的H2O2电化学合成方法。
[0003]从本质上ORR机理可分为两类：直接4e
‑
过程和间接2e
‑
过程。利用2e
‑
过程产生H2O2的反应式如1和2所示，酸性介质中：O2+2e
‑
+2H
+
→
H2O2(1)；碱性介质中：O2+H2O+2e
‑
→
HO2‑
+OH
‑
(2)。催化剂的活性、选择性和稳定性是影响电化学合成H2O2性能的关键因素。目前，贵金属及其合金，如Pd、Pt
‑
Hg、Pt
‑
Ni、Pd
‑
Hg等，是电化学合成H2O2的最有效催化剂。然而，价格昂贵、容易中毒等缺点限制其大规模应用。因此，急需一种低成本、高活性的两电子氧还原反应催化剂。
[0004]二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物MXenes是一类具有二维层状结构的过渡金属碳/氮化物，具有导电性好、亲水性、表面官能团丰富等优点，已被广泛应用于储能和催化领域。MXenes的制备原理是利用HF或者原位生成的HF去刻蚀MAX的A层，其中M代表过渡金属元素，例如Ti,Nb，Mo等，A代表第Ⅲ或Ⅳ主族元素，如Al，X为C或者N。刻蚀后得到的MXenes表面有丰富的官能团，记作MXeneT
x
，T代表
‑
OH，
‑
O，
‑
F等官能团。
[0005]在目前研究的众多非贵金属催化剂中，MNC材料具有成本低、活性高的优点，被认为是最具潜力的电化学合成H2O2催化剂，但氧还原反应2e
‑
选择性低。通过合理的制备方法，可以利用MXenes表面丰富的官能团调控过渡金属的电子结构，改变氧还原反应O2的吸附方式和*OOH吸附能，是提高MNC催化剂电化学合成H2O2性能的有效途径。因此，利用MXenes表面的氧官能团影响过渡金属的电子结构进而调控*OOH的吸附能，还必须解决的技术问题是过渡金属必须与MXenes有强相互作用，且在高温烧结过程中MXenes仍保持层状结构不变。
[0006]Integrating MXene nanosheets with cobalt
‑
tipped carbon nanotubes for an efficient oxygen reduction reaction公开了一种Co
‑
CNT/Ti3C2的制备及其在氧还原反应中的应用。该技术采用Ti3C
2 MXenes作为基底，将Co(NO3)2加入到20mL含Ti3C
2 MXenes的溶液中超声然后加入二甲基咪唑，搅拌4h后离心、分离沉淀，60℃真空干燥一个晚上后得到Co
‑
CNT/Ti3C2前驱体，然后H2/N2(5％v/v)氛围，800℃煅烧，保温2h，自然降温至室温得到Co
‑
CNT/Ti3C2。Co
‑
CNT/Ti3C2作为氧还原电催化剂时，电催化活性高，以4e
‑
反应路径为主。
[0007]然而，该技术方案存在如下问题：第一，MXenes基底Ti3C2容易被氧化且Co
‑
CNT在Ti3C2表面分布不均匀；第二，催化剂Co
‑
CNT/Ti3C2制备过程中高温煅烧使用的H2/N2混合气体这一因素使得有大量的Co颗粒存在；第三，催化剂Co
‑
CNT/Ti3C2制备过程中过渡金属没有
吸附于Ti3C2表面使得Co与Ti3C2的相互作用很弱，不能有效调节Co
‑
CNT/Ti3C2对于O2、*OOH的吸附能力，使得Co
‑
CNT/Ti3C2作为氧还原催化剂时，仍以4e
‑
反应路径为主。
[0008]综述所述，现有技术仍缺乏一种高活性的两电子氧还原反应制H2O2的MXenes复合物催化剂。

技术实现思路

[0009]针对现有技术的以上缺陷，本专利技术提供了一种MXenes复合物催化剂及其制备方法和应用，其目的在于通过改进MXenes复合物的制备工艺，有效地调节了催化剂对于O2、*OOH的吸附能力，使得过渡金属与MXenes有强相互作用，具有优异的电化学合成过氧化氢性能，制备工艺简单，成本低，适用于工业大规模生产。
[0010]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种MXenes复合物催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0011](1)将MXenes粉体与过渡金属盐加入到溶剂中混合均匀得到吸附过渡金属的MXenes溶液；所述MXenes粉体中的M为Ti、Nb和Mo中的一种，X为C或N；
[0012](2)将有机配体溶液加入到吸附过渡金属的MXenes溶液中混合均匀得到悬浊液，分离沉淀得到前驱体；
[0013](3)将前驱体煅烧、酸洗后即可得到MXenes复合物催化剂。
[0014]作为优选，步骤(1)中，所述过渡金属盐的物质的量与MXenes粉体的质量之比为1:(20
‑
60)。
[0015]作为优选，步骤(1)中所述过渡金属盐中的过渡金属为Co、Fe和Ni中的一种，过渡金属盐溶液的浓度为0.05
‑
1.5mol/L。
[0016]作为优选，所述MXenes粉体中的M为Nb，X为C，所述过渡金属盐中的过渡金属为Co。
[0017]作为优选，步骤(2)中所述有机配体为二甲基咪唑、盐酸多巴胺和三聚氰胺中的一种，所述有机配体的浓度为0.05
‑
1.5mol/L。
[0018]作为优选，所述过渡金属与所述有机配体的物质的量之比为1：(5
‑
10)。
[0019]作为优选，步骤(3)中所述煅烧温度为700
‑
900℃，煅烧时间为2
‑
4h；所述酸洗中的酸为盐酸或硝酸，酸浓度为1
‑
2mol/L，酸洗时间为12
‑
48h。
[0020]作为优选，步骤(1)中，所述MXenes粉体是将MAX相粉体进行刻蚀制备而成，所述MAX中的M为Ti、Nb和Mo中的一种，A为第Ⅲ或Ⅳ主族元素，X为C或N；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MXenes复合物催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将MXenes粉体与过渡金属盐加入到溶剂中混合均匀得到吸附过渡金属的MXenes溶液；所述MXenes粉体中的M为Ti、Nb和Mo中的一种，X为C或N；(2)将有机配体溶液加入到吸附过渡金属的MXenes溶液中混合均匀得到悬浊液，分离沉淀得到前驱体；(3)将前驱体煅烧、酸洗后即可得到MXenes复合物催化剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述过渡金属盐的物质的量与MXenes粉体的质量之比为1:(20
‑
60)。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述过渡金属盐中的过渡金属为Co、Fe和Ni中的一种，过渡金属盐溶液的浓度为0.05
‑
1.5mol/L。4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述MXenes粉体中的M为Nb，X为C，所述过渡金属盐中的过渡金属为Co。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述有机配体为二甲基咪唑、盐酸多巴胺和三聚氰胺中的一种，所述有机配体的浓度为0.05
‑
1.5mol/L。6.根据权利要求5所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王得丽，黄晓，张建，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：