一种基于纤维骨架的MXene与过渡金属硫化物复合纳米催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于纤维骨架的MXene与过渡金属硫化物复合纳米催化剂及其制备方法，属于纳米材料与催化领域。该方法包括：将静电纺丝制备的纤维、金属盐、过渡金属碳化物MXene利用低温

【技术实现步骤摘要】
一种基于纤维骨架的MXene与过渡金属硫化物复合纳米催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于纳米材料、能源与催化领域，具体涉及一种基于纤维骨架的MXene与过渡金属硫化物复合纳米催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]化石燃料包括煤、石油、天然气等均属于不可再生资源，基于目前的消费速率，未来终将枯竭。同时，化石燃料的大量使用也为地球的环境带来了难以逆转的危害，尘粒、废水、噪音、硫氧化合物和氮氧化合物等有害气体以及二氧化碳的大量排放造成全球变暖、空气质量严重下降等严重的环境问题，引起社会的广泛重视。氢能由于其资源丰富、燃烧热值高、清洁环保、无二次污染等优点被认为是21世纪最具有发展前景的清洁能源。工业制氢的方法很多，其中由电解水制氢得到的氢气产品清洁、纯度高，同时可以实现将来自太阳能、风能等的电能储存为化学能待利用。目前使用广泛的电解水催化剂为储量有限、价格高昂的贵金属，开发低成本且稳定高效的催化剂是实现电解水工业化应用的关键。
[0003]二维层状MXenes纳米材料—过渡金属碳化物/氮化物，自2011年首次报道后，由于其具有类石墨烯的二维结构及其卓越的性能引起了研究人员的广泛关注。MXenes可通过选择性刻蚀常见MAX相获得，其化学式为M
n+1
X
n
T
x
(M为过渡金属元素，X为碳或氮元素，T为表面基团)，具有独特的多层结构、导电性、高比表面积、优良的化学稳定性、亲水性、良好的生物相容性及丰富的表面官能团等优点。其特有结构及表面富含官能团的特点为构建具有稳定结构及高性能的纳米催化剂提供了优异的条件。Lan Huang等人制备了负载二硫化钼的MXene复合催化剂，展现出良好的电催化活性，但MXene片层存在着易堆叠的缺点，降低了二硫化钼纳米片的负载面积，影响了其电催化性能。
[0004]纳米材料特有的物理化学性能使其备受研究者的青睐。将具有独特结构与表面特性的纳米材料应用于电催化领域具有非常广阔的前景。具有纳米结构的过渡金属化合物更是显示出优异的电化学性能，因此实现其微观结构的精准调控或构筑稳定的复合结构从而提高催化的性能成为研究的热点之一。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种基于纤维骨架的MXene与过渡金属硫化物复合纳米催化剂及其制备方法。
[0006]本专利技术针对目前电解水催化剂面临的一系列问题，提供了一种基于纤维骨架的MXene与过渡金属硫化物复合纳米结构的负载型电解水制氢催化剂及其制备方法，制备得到的催化剂由均匀负载过渡金属硫化物纳米结构的纤维骨架MXene组成，具有二维纳米结构。其中纳米纤维作骨架可克服MXene的层状结构易堆叠的问题，从而使得该结构具有极大的有效负载面积，可提高复合材料的催化活性与稳定性。该合成方法绿色环保、能耗低且易控制，可用于规模化生产。
[0007]本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0008]本专利技术提供的基于纤维骨架的MXene与过渡金属硫化物复合纳米结构的负载型电解水制氢催化剂是由均匀负载过渡金属硫化物纳米颗粒的纤维骨架MXene组成；且纳米颗粒的负载量可调；所述的过渡金属硫化物包括钼、钴、镍的硫化物中至少一种或两种以上。
[0009]本专利技术提供的基于纤维骨架的MXene与过渡金属硫化物复合纳米催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0010](1)将聚合物溶解于高分子溶剂中，溶解完全后得到纺丝液，通过静电纺丝方法制备聚合物纤维膜；
[0011](2)采用选择性刻蚀MAX的方法得到二维碳化物粉末，将二维碳化物粉末加入去离子水中，超声分散得到均匀的碳化钛分散液；往所述碳化钛分散液中加入金属盐，超声分散均匀，得到悬浮液，在保护气氛下将步骤(1)所述聚合物纤维膜浸泡在悬浮液中，取出，干燥得到浸渍膜；该步骤可均在室温下进行；
[0012](3)在保护气氛下将步骤(2)所述浸渍膜和硫粉置于高温炉中(浸渍膜放置于高温炉中段，在高温炉上游放置硫粉)，进行高温煅烧处理(CAD法)，得到所述基于纤维骨架的MXene与过渡金属硫化物复合纳米催化剂。
[0013]进一步地，步骤(1)所述聚合物纤维为聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一种以上；所述聚合物纤维的分子量为104。
[0014]优选地，步骤(1)所述聚合物纤维为聚丙烯腈(PAN)。
[0015]进一步地，步骤(1)所述高分子溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)中的一种以上。
[0016]优选地，步骤(1)所述高分子溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)。
[0017]进一步地，在步骤(1)所述纺丝液中，聚合物的质量分数为5
‑
20％。
[0018]优选地，步骤(1)所述静电纺丝方法使用的静电纺丝机的电压为20
‑
30kv，接受距离为10
‑
25cm。
[0019]进一步优选地，步骤(1)所述静电纺丝方法使用的静电纺丝机的电压为28kv，接受距离为20cm。
[0020]进一步地，步骤(2)所述二维碳化物粉为碳化钛粉末；所述碳化钛分散液的浓度为5
‑
20mg/mL；所述金属盐为水溶性的钼、钴、镍的氯化盐、硝酸盐、乙酸盐、多酸盐中的一种以上；所述二维碳化物粉末(过渡金属碳化物MXene)与金属盐的质量比为(1.0
‑
10.0)：1。
[0021]优选地，步骤(2)所述金属盐为钼酸铵、四硫代钼酸铵、氯化钴及氯化镍中的一种以上。
[0022]优选地，步骤(2)所述二维碳化物粉末是利用刻蚀法制备的，刻蚀时间为10
‑
15h。
[0023]进一步优选地，所述刻蚀时间为12h。
[0024]进一步地，步骤(2)所述保护气氛为氮气或氩气，聚合物纤维膜在悬浮液中的浸渍时间为1
‑
6h。
[0025]优选地，步骤(2)所述超声是运用探头粉碎超声机超声；超声的功率为50
‑
80W，时间为3
‑
5h。
[0026]进一步优选地，步骤(2)所述超声的功率为70W。
[0027]进一步地，步骤(3)所述保护气氛为氮气或氩气，所述硫粉与步骤(2)所述金属盐
的质量比为(1.0
‑
3.0)：1。
[0028]优选地，步骤(3)所述保护气氛为氩气。
[0029]进一步地，步骤(3)所述煅烧处理的温度为500
‑
800℃，煅烧处理的时间为1
‑
5h。
[0030]本专利技术提供一种由上述的制备方法制得的基于纤维骨架的MXene与过渡金属硫化物复合纳米催化剂。
[0031]本专利技术通过制备纤维骨架的MXene作基底，经过高温煅烧制备均匀负载过渡金属硫化物的纳米复合催化剂。
[0032]本专利技术以纤维作为MXe本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于纤维骨架的MXene与过渡金属硫化物复合纳米催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将聚合物溶解于高分子溶剂中，得到纺丝液，通过静电纺丝方法制备聚合物纤维膜；(2)采用选择性刻蚀MAX的方法得到的二维碳化物粉末，将其加入去离子水中，超声分散后得到均匀的碳化钛分散液；往所述分散液中加入金属盐，超声分散均匀，得到悬浮液，在保护气氛下将步骤(1)所述聚合物纤维膜浸泡在悬浮液中，取出，干燥得到浸渍膜；(3)在保护气氛下将步骤(2)所述的浸渍膜和硫粉置于高温炉中，煅烧处理得到基于纤维骨架的MXene与过渡金属硫化物复合纳米催化剂。2.根据权利要求1所述的基于纤维骨架的MXene与过渡金属硫化物复合纳米催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述聚合物纤维为聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮中的一种以上。3.根据权利要求1所述的基于纤维骨架的MXene与过渡金属硫化物复合纳米催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述高分子溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的一种以上。4.根据权利要求1所述的基于纤维骨架的MXene与过渡金属硫化物复合纳米催化剂的制备方法，其特征在于，在步骤(1)所述纺丝液中，聚合物的质量分数为5
‑
20％。5.根据权利要求1所述的基于纤维骨架的MXene与过渡金属硫化物复合纳米催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述静电纺丝方法使用的静电纺丝机的电压为20
‑
30kv，静电纺丝方...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾志欣，马淑菲，赵祺，杜明亮，贾德民，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：