一种二维手性氢氧化镍纳米片的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种二维手性氢氧化镍纳米片的制备方法及其应用。通过选择合适的手性分子作为结构导向剂实现手性无机纳米材料的制备，进而实现纳米材料对电子自旋状态的选择以及对晶体成核和生长速率的调控，提高氧析出反应的效率；合成过程中加入聚乙烯吡咯烷酮来抑制氢氧化镍纳米片的聚集，提高其比表面积，增加纳米片的反应活性位点；氢氧化镍纳米片在加热熟化过程中形成了大量褶皱，引入了晶格错配，产生位错和内部应力，进一步增加了活性位点。纳米片的片状结构使其易与导电材料乙炔黑形成良好接触，有利于电子传输。具有良好的催化氧析出反应性能。化氧析出反应性能。化氧析出反应性能。

【技术实现步骤摘要】
一种二维手性氢氧化镍纳米片的制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及电催化
，尤其涉及一种二维手性氢氧化镍纳米片的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]众所周知，纳米材料具有高比表面积和大量暴露活性位点，对电化学催化有很好的效果，因此纳米材料的尺寸和形貌对催化活性有显著影响。其中，二维纳米片的平面结构有利于界面电荷快速转移，对电化学催化具有很好促进的效果；并且尺寸较小的纳米片在体积一定的条件下具有更大的边缘长度，能增加催化位点，因此会使催化活性增加。然而，小尺寸的纳米片由于表面能过高，在制备和使用过程中容易出现聚集失活的问题。此外，当前很多高性能催化剂在合成过程中需要使用到有机溶剂，会对环境造成一定的污染。除了纳米材料的尺寸和形貌，近年来研究发现在手性材料中，电子的传输效率取决于电子的自旋状态，即材料的手性可以影响电子的传输效率(Annu.Rev.Phys.Chem.,2015,66,263
–
81)。然而，目前对有机材料的手性研究较多，无机材料的手性形成和应用还鲜见报道。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：本专利技术的目的在于提供一种具有良好的导电性、形貌大小均一、比表面积大、分散性好、活性位点多、具有优异的催化氧析出反应的效果的二维手性氢氧化镍纳米片的制备方法及其应用。
[0004]技术方案：本专利技术的一种二维手性氢氧化镍纳米片的制备方法，包括如下步骤：
[0005](1)将聚乙烯吡咯烷酮和手性分子加入溶剂后搅拌溶解获得手性分子分散液；/>[0006](2)将手性分子分散液与镍盐固体粉末混合得到手性镍盐分散液；
[0007](3)将氢氧化钠沉淀剂缓慢滴入手性镍盐分散液，加热搅拌，静置，离心干燥后得到手性的氢氧化镍纳米片。
[0008]进一步地，步骤(1)中，所述手性分子包括手性氨基酸分子和其他手性分子；所述手性氨基酸分子包括L/D
‑
苯丙氨酸、L/D
‑
谷氨酸、L/D
‑
精氨酸、L/D
‑
酪氨酸、L/D
‑
组氨酸；所述其他手性分子包括L/D
‑
酒石酸、L/D
‑
葡萄糖、L/D
‑
乳酸。
[0009]进一步地，步骤(1)中，所述聚乙烯吡咯烷酮单体和手性分子的摩尔比为1:0.1～1:5。
[0010]进一步地，步骤(1)中，所述搅拌为磁力搅拌；磁力搅拌的时间为10～50min，搅拌的速度为600～2000rpm；所述溶剂为超纯水，溶剂的体积为80～100 ml。
[0011]进一步地，步骤(2)中，所述镍盐固体粉末包括四水合乙酸镍、六水合硝酸镍和六水合氯化镍。
[0012]进一步地，步骤(2)中，所述镍盐固体粉末与手性分子分散液原料的摩尔比为1:0.1～1:15。
[0013]进一步地，步骤(2)中，所述混合的方式是在搅拌条件下将镍盐的固体粉末缓慢添
加到手性分子分散液中，搅拌的时间是15～150min。
[0014]进一步地，步骤(3)中，所述氢氧化钠的浓度是1mol/L，氢氧化钠与镍盐固体粉末的摩尔比为0.1:1～6:1，滴加的方式是使用分液漏斗缓慢匀速滴加。
[0015]进一步地，步骤(3)中，所述加热的温度是30～100℃，搅拌的时间是8～36h，搅拌的速度600～2000rpm，静置的时间是12～48h；离心时用的溶剂分别是超纯水和乙醇，洗涤次数为三次及以上；得到的产物真空干燥的温度是80℃，干燥的时间是5h。
[0016]本专利技术所制备的二维手性氢氧化镍纳米片在电催化领域的应用。
[0017]为了合成手性氢氧化镍纳米片，我们先将镍盐与手性分子和聚乙烯吡咯烷酮溶液混合。混合过程中，Ni
2+
分别与手性分子的羧基氧原子和聚乙烯吡咯烷酮的羰基进行配位，形成配合物。然后向配合物溶液中缓慢滴加氢氧化钠溶液，生成手性氢氧化镍纳米片。不同结构性质的手性分子具有不同共轭结构、诱导效应、空间位阻效应等，作为配体与Ni
2+
形成的配合物稳定常数不同，溶液中游离Ni
2+
的浓度也不同。因此，选择合适的手性分子可以在加入氢氧化钠时调控氢氧化镍晶体的成核和生长速率。另外，镍盐溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮作为分散剂和稳定剂，可以限制晶体生长和聚集，同样起到调控成核和生长速度的作用，确保合成超小尺寸的纳米片，提高电催化的性能。在纳米片制备过程中，溶液中的OH
‑
与手性分子的羧羟基竞争，与Ni
2+
配位结合生成Ni(OH)2晶核。制备的手性氢氧化镍纳米片还需要一个加热熟化过程。在熟化过程中，相比于晶核的(100)和(010)，(001)面能吸附更多的带负电的羟基，因此其对配离子的排斥作用也大，使晶体的生长倾向于沿(100)和(010)方向，从而得到沿(100)晶面生长的手性氢氧化镍纳米片结构，同时在表面形成大量的褶皱。该合成方法比一般合成方法条件温和，没有涉及到高温高压，且操作简单、价格低廉、重复性好，且在合成过程中没有使用有机溶剂，绿色环保，制备得到尺寸约为20nm，厚度约为2nm的小尺寸薄片状手性氢氧化镍。该催化剂大小均一、分散性好，其独特的薄片结构使其具有良好的导电性，并能与导电材料(乙炔黑等)形成良好的电接触；其高比表面积使其具有高活性位点；其独特的手性结构使其具有电子自旋选择效应；其具有的大量位错以及内部应力进一步提高了电催化效率。因此，这种手性氢氧化镍纳米片是一种高效氧析出电催化剂。
[0018]制备过程中选择合适的手性分子作为结构导向剂，使得制备的手性纳米片具有自旋选择效应，确保其传递的电子自旋状态相同，因此能够生成自旋状态相同的基态的三重态氧，同时抑制自旋状态相反的过氧化氢副产物生成；选择合适的手性分子在形成纳米片的过程中还起到了调控氢氧化镍晶体的成核和生长速率的作用。然后经过加热熟化，在手性分子和聚乙烯吡咯烷酮的共同作用下，该催化剂表面形成大量褶皱使得催化剂产生大量位错和内部应力，增加了活性位点，进一步提高了氧析出的效率。聚乙烯吡咯烷酮还起到分散和稳定的作用，能抑制晶体的生长，确保合成的纳米片尺寸较小，同时也能抑制氢氧化镍纳米片的聚集，得到分散的小尺寸纳米片(沿着(100)晶面优先生长)，将实例所制备产品的X射线衍射图与标准卡片对比可以得到，催化剂氢氧化镍纳米片在(100)面的衍射峰明显增强，说明形成了具有优先(100)晶面取向的氢氧化镍纳米片。
[0019]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：手性调控的方法是通过选择合适的手性分子作为结构导向剂，聚乙烯吡咯烷酮作为稳定剂和分散剂，制备得到大小约为20nm，厚度约为2nm的手性氢氧化镍片状结构(沿(100)晶面优先生长)。所获得的产品
结构具有很小的尺寸，大小均一、分散均匀、比表面积高、暴露的活性位点多、与导电材料乙炔黑的接触良好，并且能通过自旋选择效应过滤不同自旋状态的电子，以及通过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维手性氢氧化镍纳米片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将聚乙烯吡咯烷酮和手性分子加入溶剂后搅拌溶解获得手性分子分散液；(2)将手性分子分散液与镍盐固体粉末混合得到手性镍盐分散液；(3)将氢氧化钠沉淀剂缓慢滴入手性镍盐分散液，加热搅拌，静置，离心干燥后得到手性的氢氧化镍纳米片。2.根据权利要求1所述的二维手性氢氧化镍纳米片的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述手性分子包括手性氨基酸分子和其他手性分子；所述手性氨基酸分子包括L/D
‑
苯丙氨酸、L/D
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谷氨酸、L/D
‑
精氨酸、L/D
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酪氨酸、L/D
‑
组氨酸；所述其他手性分子包括L/D
‑
酒石酸、L/D
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葡萄糖、L/D
‑
乳酸。3.根据权利要求1所述的二维手性氢氧化镍纳米片的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述聚乙烯吡咯烷酮单体和手性分子的摩尔比为1:0.1～1:5。4.根据权利要求1所述的二维手性氢氧化镍纳米片的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述搅拌为磁力搅拌；磁力搅拌的时间为10～50min，搅拌的速度为600～2000rp...

【专利技术属性】
技术研发人员：李颖，李淑娟，陈雨洁，刘松琴，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：