一种基于MXene与过渡金属碳化物复合纳米结构的电解海水制氢催化剂及其合成方法技术

一种基于MXene与过渡金属碳化物复合纳米结构的电解海水制氢催化剂及其合成方法，属于纳米材料与催化领域。该催化剂由均匀负载纳米碳包覆过渡金属碳化物纳米颗粒的MXene组成。制备方法：将MXene、金属盐、pH缓冲溶液和碳源前驱体溶解混合均匀后，离心、洗涤、冷冻干燥得到混合物，在惰性气氛中高温煅烧获得结构、成分可控的二维纳米结构的电催化剂。本发明专利技术电催化剂能够克服过渡金属碳化物在制备和反应过程中纳米颗粒团聚、烧结导致性能下降的问题，解决困扰过渡金属碳化物纳米催化剂性能发挥与应用的基础性难题；在接近中性条件下，对电解海水制氢表现出优异的催化活性与稳定性，为电解海水制氢技术的广泛应用奠定基础。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MXene与过渡金属碳化物复合纳米结构的电解海水制氢催化剂及其合成方法
本专利技术属于纳米材料、能源与催化领域，涉及一种基于MXene与过渡金属碳化物复合纳米结构的电解海水制氢催化剂及其合成方法。
技术介绍
氢能因其清洁、高效、安全、可持续性等优点被视为21世纪最具潜力的新能源之一。目前，工业制氢的方式主要有电解水制氢、煤气化制氢、天然气水蒸气重整制氢等，其中电解水制氢过程清洁高效、产氢纯度高，是备受关注的制氢技术之一。目前工业上使用的电解水产氢催化剂主要基于价格高昂的贵金属，开发低成本、高能效的电解水产氢催化剂是电解水制氢技术的规模化应用的关键之一。我国淡水资源危机问题日趋严重，将占地球水储量97％以上的海水用于电解制氢是技术发展的必然趋势。但现有贵金属析氢/氧电极仅能在强酸碱性条件下应用，在接近中性的海水中稳定性较差、催化活性不佳，因而亟需开发高性能的电解海水制氢催化剂。纳米材料因其尺寸效应导致的独特物理化学性质而广受瞩目。当用于催化领域时，具有独特的晶体结构及表面特性的纳米催化剂可以提供大比表面积与丰富的化学反应活性位，其催化活性和选择性远优于传统催化剂，因而在化学工业领域具有巨大应用前景。过渡金属碳化物具有高结构稳定性、类贵金属的电子结构与催化特性，在催化领域具有广泛应用。具有纳米结构的过渡金属碳化物催化剂的性能极大依赖于其微观形貌、尺寸与晶体结构，对其微观结构进行精细调控，实现结构设计和可控构筑是近年来催化与纳米材料研究领域的热点之一。因过渡金属碳化物一般需在高温下制备，此过程中过渡金属碳化物纳米结构的烧结与团聚大大降低其活性比表面积，严重影响催化性能的发挥，这一缺点限制了此类纳米催化剂的制备与广泛应用。MXene是一种新型过渡金属碳化物或氮化物二维晶体。其化学式为Mn+1Xn，(n＝1、2、3，M为过渡金属元素，X为碳或氮元素)。这一类材料可通过酸选择性刻蚀层状陶瓷材料MAX相获得，具有优异的电学性能与化学反应活性。此外，MXene的表面富含-OH、-F、-O等活性化学官能团，可望通过化学作用耦合过渡金属碳化物纳米结构，提高其分散性、结构稳定性与导电性，从而实现新结构、高性能纳米催化剂的设计构筑。
技术实现思路
针对现有电解水催化剂在海水条件下活性低、稳定性差的缺点，本专利技术提供了一种基于MXene与过渡金属碳化物复合纳米结构的电解海水制氢催化剂的合成方法，制备得到的催化剂由均匀负载纳米碳包覆过渡金属碳化物纳米颗粒的MXene组成，具有二维纳米结构。其中过渡金属碳化物纳米颗粒的尺寸与纳米碳包覆层厚度均为数纳米，克服了过渡金属碳化物纳米催化剂在制备和反应过程中易团聚而导致性能下降的问题，解决了困扰过渡金属碳化物纳米催化剂性能发挥与应用的基础性难题，所得电解海水制氢催化剂对在接近中性条件下，对电解海水制氢表现出优异的催化活性与稳定性。该合成方法绿色环保，能耗低、易控制且具有通用性，可用于规模化生产。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于MXene与过渡金属碳化物复合纳米结构的电解海水制氢催化剂，所述的电解海水制氢催化剂由均匀负载纳米碳包覆过渡金属碳化物纳米颗粒的MXene组成，具有二维纳米结构；尺寸在100-500nm之间；MXene上负载的过渡金属碳化物纳米颗粒的载量可调，负载量在5-70wt.％之间，过渡金属碳化物纳米颗粒的尺寸为数纳米；所述的过渡金属碳化物包括钼、钨、钴、镍的碳化物中至少一种或两种以上。一种基于MXene与过渡金属碳化物复合纳米结构的电解海水制氢催化剂的合成方法，包括如下步骤：1)将MXene分散液、金属盐和碳源前驱体溶于pH缓冲溶液中得到悬浮液，其中，悬浮液中金属盐的浓度为0.5-5.0mM；在常温常压条件下搅拌反应12-24h后，离心、洗涤、冷冻干燥得到混合物。所述的pH缓冲溶液为三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液，浓度为5mM，pH值为8.5。所述的金属盐为水溶性的钴、镍、钒、钼、钨的氯化盐、硫酸盐、硝酸盐、乙酸盐、铵盐、多酸盐中的至少一种或两种以上；所述的碳源前驱体为多巴胺、多糖或高分子聚合物。所述的MXene分散液、pH缓冲溶液、碳源前驱体与金属盐的质量比为1.0:1.0-1.5:0.2-1.0:1.0-5.0。所述的MXene分散液的浓度为5-10mgmL-1。2)在惰性或反应性气体保护下，将步骤2)制备得到的混合物放置于高温炉中煅烧处理得到基于MXene与过渡金属碳化物复合纳米催化剂，煅烧温度为700-900oC，煅烧时间为3-5h。所述惰性气体为氮气、氩气中至少一种；反应性气体为氢气、硫化氢、氨气中至少一种，载气流速为0.1-1.0Lh-1。与现有技术相比，本专利技术解决了过渡金属碳化物纳米催化剂制备与应用面临的难题，其有益效果为：1)与常规过渡金属碳化物催化剂相比，MXene表面富含的化学官能团与过渡金属碳化物纳米结构之间的强化学耦合作用赋予获得的复合纳米催化剂更高的结构稳定性。2)在MXene表面稳定负载，尺寸仅为数纳米的过渡金属碳化物纳米颗粒提供更大的化学反应活性比表面积与更丰富的化学反应活性位点，这赋予复合纳米催化剂更高的催化反应活性。3)MXene优异的导电性赋予复合纳米催化剂优异的导电性，这对于电化学催化反应尤其重要。4)本专利技术可以实现对基于MXene与过渡金属碳化物复合纳米结构的电解海水制氢催化剂微观结构、化学组成等的精细调控，工艺简单，过程绿色环保，易于规模化生产，不仅可应用于电解海水制氢技术，在其他催化析氢领域如氯碱工业、太阳能电解水等也具有广阔的应用前景。附图说明图1是本专利技术实例1制备的基于MXene与钴钼碳化物的复合纳米催化剂的扫描电镜照片；图2是本专利技术实例1制备的基于MXene与钴钼碳化物的复合纳米催化剂的透射电镜照片；图3是本专利技术实例1制备的基于MXene与钴钼碳化物的复合纳米催化剂中钴钼碳化物纳米颗粒的高分辨率透射电镜照片；图4是本专利技术实例2制备的基于MXene与镍钼碳化物的复合纳米催化剂的扫描电镜照片；图5是本专利技术实例3制备的基于MXene与碳化钼的复合纳米催化剂的扫描电镜照片。图6是本专利技术实例1制备的基于MXene与钴钼碳化物的复合纳米催化剂电解海水制氢的催化活性表征及其与商业化Pt/C催化剂活性的比较。图7是本专利技术实例1制备的基于MXene与钴钼碳化物的复合纳米催化剂电解海水制氢的稳定性表征及其与商业化Pt/C催化剂稳定性的比较。具体实施方式针对现有技术的诸多缺陷，本案专利技术人经长期研究和大量实践，提出本专利技术的技术方案，如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。但是，应当理解，在本专利技术范围内，本专利技术的上述各技术特征和在下文(实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以相互结合，从而构成新的或者优选的技术方方案。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。实施例1基于MXene与钴钼碳化物的复合纳米催化剂的制备方法1)配制30mL三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液，在其中加入100mg四水合钼酸铵、20mg六水合氯化钴、20mg多巴胺与5mLMXene分散液(5.0mgmL-1)，搅拌反应24h。反应结束后，用去离子水反复洗涤至中性，离心，冷冻干燥得到黑色粉体。2)在Ar气保护下，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MXene与过渡金属碳化物复合纳米结构的电解海水制氢催化剂，其特征在于，所述的电解海水制氢催化剂由均匀负载纳米碳包覆过渡金属碳化物纳米颗粒的MXene组成，具有二维纳米结构；尺寸在100‑500nm之间；MXene上负载的过渡金属碳化物纳米颗粒的载量可调，负载量在5‑70wt.％之间，过渡金属碳化物纳米颗粒的尺寸为数纳米；所述的过渡金属碳化物包括钼、钨、钴、镍的碳化物中至少一种或两种以上。

【技术特征摘要】
1.一种基于MXene与过渡金属碳化物复合纳米结构的电解海水制氢催化剂，其特征在于，所述的电解海水制氢催化剂由均匀负载纳米碳包覆过渡金属碳化物纳米颗粒的MXene组成，具有二维纳米结构；尺寸在100-500nm之间；MXene上负载的过渡金属碳化物纳米颗粒的载量可调，负载量在5-70wt.％之间，过渡金属碳化物纳米颗粒的尺寸为数纳米；所述的过渡金属碳化物包括钼、钨、钴、镍的碳化物中至少一种或两种以上。2.一种权利要求1所述的基于MXene与过渡金属碳化物复合纳米结构的电解海水制氢催化剂的合成方法，其特征在于以下步骤：1)将MXene分散液、金属盐和碳源前驱体溶于pH缓冲溶液中得到悬浮液，其中，悬浮液中金属盐的浓度为0.5-5.0mM；在常温常压下搅拌反应12-24h，反应结束后离心、洗涤、冷冻干燥得到混合物；所述的MXene分散液、pH缓冲溶液、碳源前驱体与金属盐的质量比为1.0:1.0-1.5:0.2-1.0:1.0-5.0；2)在惰性或反应性气体保护下，将步骤2)制备得到的混合物放置于高温炉中煅烧处理得到基于MXene与过渡金属碳化物复合纳米催化剂，煅烧温度为700-900℃，煅烧时间为3-5h。3.根据权利要求2所述的基于MXene与过渡金属碳化物复合纳米结构的电解海水制氢催化剂的合成方法，其特征在于，所述的MXene分散液的浓度为5-10mgmL-1。4.根据权利要求2或3所述的基于MXene与过渡金属碳化物复合纳米结构的电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王治宇，邱介山，吴籼虹，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21