本发明专利技术公开了一种离子液体功能化碳纳米管的复合材料，离子液体咪唑基为阳离子，碘离子、四氟化硼、六氟化磷和双(三氟甲烷磺酰)亚胺分别作为阴离子，离子液体通过共价键直接连接在碳纳米管表面，两者之间没有其他原子连接。本发明专利技术还公开了所述复合材料的制备方法，将胺基功能化碳纳米管与甲醛，乙二醛，醋酸铵在甲醇中混合反应。之后产物加入碘甲烷，最终得到甲基咪唑碘盐功能化碳纳米管。然后通过阴离子交换，得到其他离子液体功能化碳纳米管。本发明专利技术将以上复合材料作为析氢催化剂应用于电解水中，离子液体修饰碳纳米管具有优异的析氢催化活性，并且离子液体也能起到粘合剂的作用。
A Composite Material of Ionic Liquids Functionalized Carbon Nanotubes and Its Preparation Method
The invention discloses a composite material of ionic liquid functionalized carbon nanotubes. The ionic liquid imidazole group is cationic, iodine ion, boron tetrafluoride, phosphorus hexafluoride and BIS (trifluoromethane sulfonyl) imide are respectively used as anions, and the ionic liquid is directly connected to the surface of carbon nanotubes through covalent bonds, and there is no other atomic connection between the two. The invention also discloses the preparation method of the composite material, and mixes amino functionalized carbon nanotubes with formaldehyde, glyoxal and ammonium acetate in methanol. After that, the product was added with iodomethane, and finally the functionalized carbon nanotubes with methyl imidazole iodized salt were obtained. Then other ionic liquids functionalized carbon nanotubes were obtained by anion exchange. The composite material is used as hydrogen evolution catalyst in electrolytic water. The ionic liquid modified carbon nanotubes have excellent hydrogen evolution catalytic activity, and the ionic liquid can also act as an adhesive.
【技术实现步骤摘要】
一种离子液体功能化碳纳米管的复合材料及其制备方法
本专利技术属于碳纳米管复合材料
，尤其涉及一种离子液体功能化碳纳米管复合材料，更具体的涉及一种离子液体功能化碳纳米管材料的制备方法及其作为析氢催化剂的应用。
技术介绍
目前,全世界所面临的能源危机和环境污染问题已日益严峻,威胁着人类的生存和发展；与此同时，以煤、天然气和石油等不可再生能源将近枯竭，且这类能源所产生的污染非常严重。因此，发展可再生能源,走可持续发展道路成为各国学者研究的焦点。在各种新型可再生能源中，太阳能，风能等容易受到地形，气候等环境因素影响，且不易储存及运输，具有很大的应用局限性。而氢能具有化石燃料和其他新能源不可比拟的优势(如资源丰富，循环可再生，高效环保可储存，用途广泛等)。因此，氢能越来越引起人们的重视，被认为一种最为理想无污染的绿色能源。在各种制氢技术中，电解水无异是应用最广泛和成熟的。其工艺简单，不会产生污染，且制氢过程以水为原料产生氢气和氧气，是氢与氧反应生成水的逆过程。在电解水制氢技术的核心部分是电解槽，而电解槽的关键部分又是负载在电极上的催化剂。优秀的阴极催化剂能有效降低析氢过电压，在减少能耗和电解成本的同时保证良好的析氢效率。目前，电解水析氢阴极催化剂主要有两类。一类是传统的Pt、Pd及其合金。这类电极有很低的析氢过电位，但含量稀少且价格昂贵，不适合大规模应用。另一类是Mo、Ni、Fe等合金或者金属氧（硫）化物。相比Pt等贵重金属，此类电极降低了成本同时保持了较低的过电压，但此类电极仍会使用如Mo等“稀有金属”，同时其合成过程仍要消耗大量能源而且在稳定性和耐腐蚀性上有一定限制。最近，导电高分子材料（聚苯胺、聚吡咯、聚苯胺-聚吡咯）作为非金属电催化剂应用到电解水制氢中，但其仍需要Pt片作为载体且催化性能并未有明显提；C3N4和C60(OH)8作为非金属析氢催化剂具有很好的催化表现，但是其合成条件复杂且制备成本较高。另外，以上大部分的析氢催化剂都需要昂贵的Nafion作为粘合剂负载到电极上。因此，开发一种便宜易得同时具有良好催化效率的新型非金属析氢催化剂越来越重要，而离子液体-碳纳米管复合材料作为催化剂就是一类理想的潜在替代物。离子液体（Ionicliquids,ILs）是有机阳离子和各种阴离子构成的熔点低于100℃的熔盐体系，具有电位窗口宽，导电率高，毒性低，良好溶解能力和较强的化学稳定性等优点。因此，离子液体被广泛应用到有机合成，萃取技术和电化学中。碳纳米管(Carbonnanotubes,CNTs)是一种由六边形排列的碳原子组成的单层（壁）到数十层（壁）的同轴圆管碳分子。其具有特殊的力学、电学和化学性能，例如高强度、高熔点、优秀的电子导电性和热传导性。在电催化中，碳纳米管作为催化剂载体被广泛使用。因此，同时具备以上两者优点的离子液体修饰碳纳米管复合材料自然备受各国研究者关注，被广泛应用到各项电化学研究中，而其作为析氢催化剂在电解水中的应用也是本领域技术人员研究的重点课题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于：（1）提供一种离子液体功能化碳纳米管（IL-CNTs）的制备方法。（2）制备的离子液体直接与碳纳米管连接，之间没有其他原子。（3）通过所述方法制备，在合成离子液体的同时完成离子液体功能化碳纳米管的制备，简单快速。（4）离子液体功能化碳纳米管作为电解水析氢阴极催化剂具有良好的电化学性能。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：1.离子液体功能化碳纳米管制备方法，包括以下步骤：(1)甲醛与乙二醛溶液按照摩尔比1:1混合，之后加入醋酸铵与胺基功能化碳纳米管，在80oC甲醇中反应6小时；初产物经氢氧化钠洗涤后得到咪唑功能化碳纳米管；所述的醋酸铵与甲醛摩尔比为1:2；(2)将上述咪唑功能化碳纳米管加入到碘甲烷中，在80oC甲醇中反应6小时，最终得到甲基咪唑碘盐离子液体功能化碳纳米管；所述的咪唑功能化碳纳米管与碘甲烷的质量比1:1；所述的碘甲烷与甲醛的摩尔比为1:1；(3)将甲基咪唑碘盐离子液体功能化碳纳米管与过量的离子交换试剂进行阴离子交换反应，得到不同阴离子的咪唑基离子液体功能化碳纳米管；所述的离子交换剂为氟硼酸钠、六氟磷酸钾和双三氟甲烷磺酰亚胺锂中的一种。2.采用由上面所述方法制备的离子液体功能化碳纳米管作为析氢催化在电解水析氢中的应用。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供了一种直接在碳纳米管表面连接离子液体的制备方法，离子液体与碳纳米管之间没有任何其他原子连接。提供的制备方法在合成离子液体的同时完成功能化碳纳米管的制备，过程简单快速。此类离子液体功能化碳纳米管作为电解水析氢阴极催化剂表现出较高的催化剂活性和良好的稳定性，并且离子液体也能起到粘合剂的作用，无需外加Nafion，降低了使用成本。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图：图1为实施例1中制备离子液体功能化碳纳米管的示意图。图2为实施例1所制备离子液体功能化碳纳米管的扫描电镜图。图3为实施例1所得离子液体功能化碳纳米管的红外图。图4为实施例1所述离子液体功能化碳纳米管的电解水析氢电催化性能图。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。实施例1离子液体功能化碳纳米管的制备甲基咪唑基离子液体功能化碳纳米管的制备步骤示意图如图1所示，具体步骤如下：1）甲醛与乙二醛溶液按照摩尔比1:1超声混合，之后加入醋酸铵与胺基功能化碳纳米管，在80oC甲醇中反应6小时。初产物经(0.1M)氢氧化钠溶液洗涤后得到咪唑功能化碳纳米管；其中醋酸铵与甲醛的摩尔比为1:2；2）将上述咪唑功能化碳纳米管加入碘甲烷溶液中，在80oC甲醇中反应6小时，最终得到甲基咪唑碘盐离子液体功能化碳纳米管MIM-I-CNTs；其中咪唑功能化碳纳米管与碘甲烷的质量比1:1；碘甲烷与甲醛的摩尔比为1:1；3）将制备的MIM-I-CNTs与过量离子交换剂氟硼酸钠NaBF4、六氟磷酸钾KPF6和双三氟甲烷磺酰亚胺锂LiNTf2进行阴离子交换反应，分别得到含有甲基咪唑四氟化硼功能化碳纳米管MIM-BF4-CNTs、甲基咪唑六氟化磷功能化碳纳米管MIM-PF6-CNTs和甲基咪唑双三氟甲烷磺酰亚胺功能化碳纳米管MIM-NTf2-CNTs。图2为所制备离子液体功能化碳纳米管的扫描电镜图，可以看到离子液体功能化后，碳纳米管的基本形貌没有变化，其基本骨架保持完好。图3为所得离子液体功能化碳纳米管的红外图，可以看到图3（a）为原料胺基功能化碳纳米管的红外谱图，具有胺基等的特征峰；而图3（b）为产物离子液体功能化碳纳米管的红外谱图，具有咪唑基的特征峰。证明离子液体功能化碳纳米管已成功制备。对甲基咪唑基离子液体功能化碳纳米管作为电解水析氢催化剂及电化学性能测试：分别取制备的MIM-I-CNTs、MIM-BF4-CNTs、MIM-PF6-CNTs和MIM-NTf2-CNTs作为析氢催化剂均匀地涂在玻碳电极上（直径约5mm）。电解水制氢实验在电化学工作站上进行，运用3电极体系（工作电极：负载催化剂的玻碳电极；对电极：铂片电极；参比电极：饱和甘汞电极）。含有100μg催化剂的溶液加在工作电极表面然后干燥每项电解水实验重复三次以上以保证数据准确可靠。如图4a所示，通本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种离子液体功能化碳纳米管的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：（1）甲醛与乙二醛溶液按照摩尔比1:1混合，之后加入醋酸铵与胺基功能化碳纳米管，在80
【技术特征摘要】
1.一种离子液体功能化碳纳米管的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：（1）甲醛与乙二醛溶液按照摩尔比1:1混合，之后加入醋酸铵与胺基功能化碳纳米管，在80oC甲醇中反应6小时；氢氧化钠洗涤后得到咪唑功能化碳纳米管；所述的醋酸铵与甲醛的摩尔比为1:2；（2）将上述咪唑功能化碳纳米管加入碘甲烷中，在80oC甲醇中反应6小时，最终得到甲基咪唑碘盐离子液体功能化碳纳米管；所述的咪唑功能化碳纳米管与碘甲烷的质量比1:1；所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：李天浩，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50
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