MXene二维材料、Cu/MXene催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种MXene二维材料、Cu/MXene催化剂及其制备方法与应用。所述MXene二维材料的制备方法包括：使包含氟化锂、酸和Mxene前驱体的均匀混合反应体系反应，并采用机械震荡技术对反应产物与水的混合物震荡，再超声处理，获得MXene二维材料。本发明专利技术还公开了Cu/MXene催化剂的制备方法包括：使铜源与MXene二维材料溶液混合反应，之后离心处理，并对离心所获固形物进行干燥处理，获得Cu/MXene催化剂。本发明专利技术Cu/MXene催化剂的二维催化剂材料具有高分散性、精准控制活性组分位点位置的特点，在Sonogashira偶联反应和4‑NP的还原等领域具有广泛的应用前景。

Mxene two-dimensional materials, Cu / mxene catalysts and their preparation methods and Applications

【技术实现步骤摘要】
MXene二维材料、Cu/MXene催化剂及其制备方法与应用
本专利技术涉及催化剂，尤其涉及一种高产量单层MXene二维材料、Cu/MXene催化剂材料及其制备方法与应用，属于催化剂制备

技术介绍
二维材料由于其特殊的结构及表面性质，使其作为能源存储和转化、催化、吸附分离等领域中发挥着重要作用。二维材料纵横比较大，厚度均一，均匀有序，是近十多年兴起的热点课题，因此在催化方向具有重要的意义，是良好的非均相催化剂载体。但是传统的负载型二维材料催化剂的制备往往需要表面活性剂和还原剂，并且后处理方式复杂，需要使用大量的手段去除负载过程中带来的表面基团。MXene作为一种新兴的二维材料，除了具有和常规二维材料一样的二维形貌之外，MXene还具有独特的自还原性质，因此基于MXene开发自还原型催化剂不仅具有一定的理论意义，还具有重要的使用价值。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种高产量单层MXene二维材料及其制备方法，以克服现有技术中的不足。本专利技术的另一目的还在于提供一种MXene催化剂及其制备方法。本专利技术的另一目的还在于提供前述MXene催化剂的应用。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种MXene二维材料的制备方法，其包括：使包含氟化锂、酸和Mxene前驱体的均匀混合反应体系于20～60℃反应5～72h，使所获反应产物与水混合，并采用机械震荡技术对所获混合物震荡10～1200min，再超声处理10～300min，获得MXene二维材料。本专利技术实施例还提供了由前述方法制备的MXene二维材料。进一步地，所述MXene二维材料包括Ti3C2Tx、Ti2CTx、Mo2CTx、Nb2CTx、V2CTx等二维材料中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。本专利技术实施例还提供了一种Cu/MXene催化剂，其包括作为载体的、所述的MXene二维材料，以及负载于所述载体上的、作为活性组分的Cu纳米粒子，所述Cu纳米粒子均匀分布于所述MXene二维材料的边缘。本专利技术实施例还提供了一种Cu/MXene催化剂的制备方法，其包括：提供包含所述MXene二维材料的MXene二维材料溶液；按照铜源与MXene二维材料的质量比为0.1～2：100使铜源与MXene二维材料溶液混合并搅拌反应，之后离心处理，并对离心所获固形物进行干燥处理，获得Cu/MXene催化剂。本专利技术实施例还提供了由前述方法制备的Cu/MXene催化剂。本专利技术实施例还提供了前述的Cu/MXene催化剂于Sonogashira偶联反应、4-NP的还原反应、气体储藏、电磁屏蔽或杀菌催化等领域中的应用。与现有技术相比，本专利技术的优点至少在于：1)本专利技术合成的Ti3C2Tx等MXene二维材料具有典型的二维形貌，其产量高达60％；2)本专利技术采用自还原的方法，选用Ti3C2Tx等MXene二维材料作为二维催化剂载体，利用MXene二维材料的自还原性能负载Cu纳米粒子，克服了常规载体需要还原剂还原催化剂的特点，并且不需使用表面活性剂就可以获得分布均匀的纳米粒子；3)本专利技术采用自还原的方式制得的催化剂材料，工艺简单，合成周期短，避免了资源浪费，有望大规模生产；本专利技术采用的方案更为简洁，仅仅将Cu的离子溶剂与溶液相混合搅拌就可以利用MXene纳米薄片的本征化学特点实现负载，方案更为简单，同时更加环保，也不需要加热，是一种绿色节能的环保型催化剂制备方案；4)本专利技术利用Ti3C2Tx等MXene二维材料这种MXene的自还原性及其边缘独特的化学结构，可以实现Cu纳米粒子在MXene二维材料边缘实现自还原和均匀分散，这种催化剂对sonogashira偶联反应具有良好的催化活性；5)本专利技术利用催化剂边缘的电荷分布和Cu纳米粒子的均匀分布，同时对于4-NP的还原具有超高的活性，Cu/MXene催化剂表现出最高活性，远超目前文献报道的水平，即使对比贵金属催化剂，Cu/MXene催化剂的活性仍然是最高的；6)本专利技术的Cu/MXene催化剂的二维催化剂材料具有高分散性、精准控制活性组分位点位置的特点，其制备工艺简单可控，价格低廉，避免了还原剂和表面活性剂的使用，制备简便，在Sonogashira偶联反应和4-NP的还原等领域具有广泛的应用前景，其还有望在气体储藏、电磁屏蔽、杀菌、催化等方面得到广泛的应用。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1a和图1b是本专利技术一典型实施方案所制备的Cu/Ti3C2Tx催化剂材料的透射电镜图。图2是本专利技术一典型实施方案所制备的Cu/Ti3C2Tx催化剂材料的X射线光电子能谱分析(XPS)图。图3是本专利技术一典型实施方案所制备的Cu/Ti3C2Tx催化剂材料的拉曼光谱图。图4是本专利技术一典型实施方案中Cu/Ti3C2Tx催化剂催化4-NP的反应活性图。图5是本专利技术一典型实施方案中Cu/Ti3C2Tx催化剂催化4-NP的反应机理图。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以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。概括的讲，本专利技术是二维材料MXene的自还原策略，选用Ti3C2Tx等MXene二维材料作为催化剂载体，在不使用表面活性剂和还原剂的情况下，利用Ti3C2Tx等MXene二维材料表面的Ti等金属作为还原剂，原位一步还原Cu纳米粒子，通过改变铜溶液离子种类或浓度，以及试验工艺条件，实现对铜纳米粒子在二维材料边缘精准、高分散的负载，其有望在气体储藏、电磁屏蔽、杀菌催化等方面得到广泛的应用。本专利技术实施例的一个方面提供的一种MXene二维材料的制备方法，其包括：使包含氟化锂、酸和Mxene前驱体的均匀混合反应体系于20～60℃反应5～72h，使所获反应产物与水混合，并采用机械震荡技术对所获混合物震荡10～1200min，优选为30～60min，再超声处理10～300min，获得MXene二维材料。在一些实施方案中，所述氟化锂与酸的质量比为1:6～1:40。在一些实施方案中，所述Mxene前驱体与氟化锂的质量比为1:0.6～1:2.4。进一步地，所述超声处理的功率为80W～360W。进一步地，所述Mxene前驱体包括Ti3AlC2、Ti2AlC、V2AlC、Mo2AlC、Nb2AlC等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。进一步地，所述酸包括盐酸，也可以是其他酸如氢氟酸，但不限于此。作为本专利技术一更为具体的实施案例之一，所述Ti3C2T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MXene二维材料的制备方法，其特征在于包括：/n使包含氟化锂、酸和Mxene前驱体的均匀混合反应体系于20～60℃反应5～72h，/n使所获反应产物与水混合，并采用机械震荡技术对所获混合物震荡10～1200min优选30～60min，再超声处理10～300min，获得MXene二维材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种MXene二维材料的制备方法，其特征在于包括：
使包含氟化锂、酸和Mxene前驱体的均匀混合反应体系于20～60℃反应5～72h，
使所获反应产物与水混合，并采用机械震荡技术对所获混合物震荡10～1200min优选30～60min，再超声处理10～300min，获得MXene二维材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述氟化锂与酸的质量比为1:6～1:40；和/或，所述Mxene前驱体与氟化锂的质量比为1:0.6～1:2.4；和/或，所述超声处理的功率为80～360W；和/或，所述Mxene前驱体包括Ti3AlC2、Ti2AlC、V2AlC、Mo2AlC、Nb2AlC中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述酸包括盐酸和/或氢氟酸。


3.由权利要求1-2中任一项所述方法制备的MXene二维材料；优选的，所述MXene二维材料包括Ti3C2Tx、Ti2CTx、Mo2CTx、Nb2CTx、V2CTx二维材料中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述MXene二维材料为单层MXene二维材料；优选的，所述MXene二维材料的厚度为0.8～4nm，且具有多层风琴状形貌。


4.一种Cu/MXene催化剂，其特征在于包括作为载体的、权利要求3所述的MXene二维材料，以及负载于所述载体上的、作为活性组分的Cu纳米粒子，所述Cu纳米粒子均匀分布于所述MXene二维材料的边缘。


5.根据权利要求4所述的Cu/MXene催化剂，其特征在于：所述Cu纳米粒子的直径为0.9～3.6nm；所述Cu纳米粒子于所述载体上的负...

【专利技术属性】
技术研发人员：张昉，张庆萧，蒋花婷，王凯旋，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31