一种泡沫镍为基底的CoN/Ti3C2材料制备方法与应用技术

本发明专利技术为一种泡沫镍为基底的CoN/Ti3C2材料制备方法与应用。该方法通过控制钴氮的三种原材料配比、碳化钛水溶液的制备以及水热的温度与时间来实现；其中首先通过物理混合合成分别含有CoN和Ti3C2的两种溶液，再通过一步水热法将钴氮两种物质和Ti3C2负载到泡沫镍上，最后通过超声剥离泡沫镍制成催化剂。本发明专利技术得到的材料的起始电位与半波电位接近商用铂碳，并且具有较高的极限电流密度，但价格上却仅为商用铂碳的20～30％，具有更好的市场应用前景，将其应用于ORR中，得到的催化材料具有良好的氧还原催化活性，应用前景广阔。应用前景广阔。应用前景广阔。

【技术实现步骤摘要】
一种泡沫镍为基底的CoN/Ti3C2材料制备方法与应用


[0001]本专利技术属于Ti3C2复合材料
，尤其涉及泡沫镍为生长衬底，更具体的涉及一种泡沫镍为基底的CoN/Ti3C2材料制备方法和用于氧气还原的应用。

技术介绍

[0002]随着全球能源危机的到来以及化石燃料燃烧引起的环境污染与温室效应的愈发严重，开发清洁能源迫在眉睫。人们越来越关注可持续能源的储存与转换，而燃料电池作为目前最有前途的清洁能源转换器之一具有很高的研究价值。在燃料电池中，燃料在阳极被氧化，释放的电子通过外部电路转移到阴极，在阴极氧气被还原。但是由于氧气还原为四电子反应，动力学非常缓慢，极大限制了燃料电池的能量输出效率。所以ORR对于燃料电池来说是一个非常重要的反应。众所周知，目前最好的ORR催化剂是Pt基类催化剂。虽然铂基类催化剂具有最突出的催化活性，但是其不但稳定性较差而且铂金稀缺、储量较少、价格昂贵。因此开发一种高效的高稳定性的非铂基类催化剂是很有必要的。
[0003]近年来，随着对泡沫镍的深入研究，其电催化性能日益凸显。独特的开孔结构、低压投入孔、固有的抗拉强度和抗热冲击等特点使其成为催化燃烧的催化剂载体。泡沫镍作为一种廉价的三维气孔材料，其自身较高的稳定性高有利于催化剂整体的稳定性、较大的比表面积可增多催化活性位点、制备催化剂过程简单操作方便、具有良好的导电性等。
[0004]MXenes是一个新的二维过渡金属碳化物、氮化物和碳四化物家族，它被认为是下一个有希望的电催化候选材料。与其他二维材料相比，MXenes由于其导电性(10000S cm
‑1)、成分多样性、薄而可调整的结构、易于调整的表面和亲水的性质而受到越来越多的关注。MXenes是由其MAX前体衍生出来的，一般公式为Mn+1XnTx(n＝1、2或3)，其中M代表过渡金属(如Ti、V、Cr、Mo、Nb等)，X代表C或N，T表示功能团(如
‑
O、
‑
OH和
‑
F)。理论上已经预测了大量稳定的MXenes，并且已经从相应的MAX中合成了30多种类型。MXenes组成的可调性有利于电子结构的调控，独特的二维层状结构提供了大的比表面积，最大限度地暴露了活性位点。此外，与碳基支撑物相比，其优良的耐腐蚀性和亲水性扩大了应用范围。官能团极大地促进了MXene纳米片的组装，并与其他材料发生强烈的相互作用，可以有效地避免纳米材料的聚集，并优化MXene基混合体的电子结构。基于上述情况，将MXenes作为氧还原催化剂在燃料电池中的应用也将成为重点课题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对当前技术中存在的不足，提供一种泡沫镍为基底的CoN/Ti3C2材料制备方法和作为氧气还原催化剂的应用。该方法通过控制钴氮的三种原材料配比、碳化钛水溶液的制备以及水热的温度与时间来实现；其中首先通过物理混合合成分别含有CoN和Ti3C2的两种溶液，再通过一步水热法将钴氮两种物质和Ti3C2负载到泡沫镍上，最后通过超声剥离泡沫镍制成催化剂。绝大多数以泡沫镍为载体的催化剂用于析氢反应，本专利技术将其应用于ORR中，得到的催化材料具有良好的氧还原催化活性，应用前景广阔。
[0006]本专利技术提供如下具体技术方案:
[0007]一种泡沫镍为基底的CoN/Ti3C2材料制备方法，该方法包括以下步骤:
[0008]第一步，采用物理混合的方法进行泡沫镍前处理：
[0009]将泡沫镍依次放入醋酸溶液、无水乙醇、去离子水中分别超声处理8
‑
12min；
[0010]第二步，采用物理混合的方法制备含有Ti3C2的溶液：
[0011]将Ti3C2加入到去离子水中，在20
‑
25℃下超声处理15
‑
30分钟，得到Ti3C2的溶液；其中，每10mL去离子水加入1～5mmol的Ti3C2；
[0012]第三歩，制备CoN的前驱体
[0013]将尿素、六水合硝酸钴、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)依次加入第一混合溶液中，在室温下使用磁力搅拌器充分搅拌15
‑
30min，得到第二混合溶液；
[0014]其中，第一混合溶液的组成为蒸馏水和乙二醇，体积比为，蒸馏水：乙二醇＝1：1；
[0015]每12ml第一混合溶液中加入1
‑
3mmol CTAB；摩尔比为，尿素：六水合硝酸钴：CTAB＝2
‑
4:2
‑
4:2
‑
4；
[0016]第四步，采用一步水热法制备CoN/Ti3C2修饰的泡沫镍：
[0017]将第二步得到的Ti3C2的溶液和第三步所配置的第二混合溶液混合，然后把经过前处理的泡沫镍浸没其中，移入反应釜后，在140
‑
180℃下反应8
‑
12小时；待反应结束后依次用去离子水和无水乙醇洗涤，得到泡沫镍复合材料；
[0018]其中，体积比为，Ti3C2的溶液：第二混合溶液＝1：1
‑
3；
[0019]第五步，采用物理方法剥离泡沫镍：
[0020]将第四步生成的泡沫镍复合材料在20
‑
25℃下超声处理15
‑
30分钟，使CoN/Ti3C2从泡沫镍上剥离下来，随后进行抽滤后干燥，得到泡沫镍为基底的CoN/Ti3C2材料。
[0021]所述的第一步中所述的醋酸溶液的浓度为3
‑
5mol/L。
[0022]所述的第五步中的干燥为40
‑
80℃干燥箱保持10
‑
20h。
[0023]所述的泡沫镍为基底的CoN/Ti3C2材料的应用，将复合材料负载在燃料电池的阴极上作为催化剂。
[0024]本专利技术的实质性特点:
[0025]与已知的其他金属以及非金属负载泡沫镍复合材料的制备方法相比，本专利技术选取金属钴与非金属氮以及Ti3C2三种物质为前驱体；Ti3C2本身虽然具有较低的电催化活性但导电率良好，泡沫镍本身为三维立体结构具有较大的比表面积能更好的吸附氧气；通过水热法将CoN纳米棒与Ti3C2纳米块相结合，以泡沫镍为生长衬底得到的CoN/Ti3C2复合材料具有良好的形貌结构，且明显增大了电化学表面积，CoN与Ti3C2两两协同促进氧气催化还原反应的进行。本专利技术的有益效果为:
[0026]本专利技术通过一步水热法制备的泡沫镍为基底的CoN/Ti3C2材料，与其他金属催化剂相比，此催化剂用一定的非金属与金属添加；降低了成本，并且操作简单，制备条件温和。同时钴氮元素的添加，增大了的电子转移速率，降低电荷转移电阻，有效增加了催化活性位点；并且在绝大多数泡沫镍用于析氧还原反应的情况下，将其用于氧还原反应，通过电化学性能测试，合成的电催化复合材料具有良好的氧气还原催化活性。其起始电位与半波电位分别为：0.98V和0.85V接近商用铂碳的1V与0.87V，并且具有较高的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种泡沫镍为基底的CoN/Ti3C2材料制备方法，其特征为该方法包括以下步骤:第一步，采用物理混合的方法进行泡沫镍前处理：将泡沫镍依次放入醋酸溶液、无水乙醇、去离子水中分别超声处理8
‑
12min；第二步，采用物理混合的方法制备含有Ti3C2的溶液：将Ti3C2加入到去离子水中，在20
‑
25℃下超声处理15
‑
30分钟，得到Ti3C2的溶液；其中，每10mL去离子水加入1
‑
5mmol的Ti3C2；第三歩，制备CoN的前驱体将尿素、六水合硝酸钴、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)依次加入第一混合溶液中，在室温下使用磁力搅拌器充分搅拌15
‑
30min，得到第二混合溶液；其中，第一混合溶液的组成为蒸馏水和乙二醇，体积比为，蒸馏水：乙二醇＝1：1；每12ml第一混合溶液中加入1
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3mmol CTAB；摩尔比为，尿素：六水合硝酸钴：CTAB＝2
‑
4:2
‑
4:2
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4；第四步，采用一步水热法制备CoN/Ti3C2修饰的泡沫镍：将第二步得到的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文林，段艳菊，杨德新，刘仕萌，余文杰，何婷婷，于丰收，李春利，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：