一种氮掺杂MXene负载酞菁钴复合材料的制备方法和应用技术

本发明专利技术为一种氮掺杂MXene负载酞菁钴复合材料的制备方法和应用。该方法首先通过氢氟酸溶液化学刻蚀Ti3AlC2制备表面吸附F端基的MXene(即Ti3C2F2)，再选择尿素作为氮掺杂剂，通过一步水热法将氮元素负载到MXene上，然后将酞菁钴和氮掺杂的MXene结合制成催化剂。本发明专利技术将其应用于ORR中，得到的催化材料具有良好的氧还原催化活性，应用前景广阔。应用前景广阔。应用前景广阔。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂MXene负载酞菁钴复合材料的制备方法和应用


[0001]本专利技术属于MXene复合材料
，尤其涉及氮掺杂MXene功能化复合材料，更具体的涉及一种氮掺杂MXene负载酞菁钴复合材料的制备方法和用于氧气还原反应的应用。

技术介绍

[0002]随着全球能源危机的到来以及化石燃料燃烧引起的环境污染与温室效应的愈发严重，开发清洁能源迫在眉睫。人们越来越关注可持续能源的储存与转换，而燃料电池作为目前最有前途的清洁能源转换器之一具有很高的研究价值。在燃料电池中，燃料在阳极被氧化，释放的电子通过外部电路转移到阴极，而在阴极氧气则被还原。但是由于氧气还原反应为四电子反应，其动力学非常缓慢，极大地限制了燃料电池的能量输出效率。所以ORR对于燃料电池来说是一个非常重要的反应。众所周知，目前最好的ORR催化剂是Pt基类催化剂。虽然铂基类催化剂具有最突出的催化活性，但是其不但稳定性较差而且铂金稀缺、储量较少、价格昂贵。因此开发一种高效的高稳定性的非铂基类催化剂是很有必要的。
[0003]近年来，二维纳米材料因其超薄的厚度、较大的表面积和较高的表面与体积的原子比越来越受到人们的青睐。过渡金属碳(氮)化物(简称MXenes)是一种新兴的2D材料，自2011年被发现以来迅速成为研究热点，其分子式为M
n+1
X
n
T
x
(n＝1，2，3)，其中M为过渡金属，X为碳或氮，T
x
为末端官能团(
‑
O、
‑
F、
‑
OH)。随着对MXene的深入研究，其电催化性能日益凸显。独特的二维层状结构、较好的表面化学性质、优异的导电性和良好的结构稳定性等特点使其成为催化燃料燃烧的催化剂载体。MXene作为一种新型的二维层状材料，其自身较高的稳定性有利于催化剂整体的稳定性，较大的比表面积可增多催化活性位点，制备催化剂过程简单、操作方便、具有优异的导电性等。但是将MXene单独制备电催化剂用于电催化反应时，其催化活性较低；所以有必要将过渡金属或者非金属与之相结合，但是大部分双金属催化剂的催化活性仍然较差，仍待进一步探索研究。
[0004]氮掺杂已被证明是一种简便的改性策略，以提高二维MXene的电化学性能，这是一组很有前途的储能应用候选材料。氮原子的化学掺杂是通过操纵许多二维MXene的电子传递过程来提高其电化学性能的有效方法。掺氮的MXene具有高表面积、大孔隙体积和层间距进一步增加的特性，在ORR应用中具有优异的电化学性能。尽管氮掺杂为提高MXene材料的电化学性能已被广泛研究，但其潜在机制仍存在争议，特别是关于现有的氮掺杂剂的形式。氮掺杂剂的种类，直接影响ORR反应动力学快慢，从而影响ORR催化活性。所以关于氮掺杂剂的选择十分重要。此外，在制备氮掺杂的MXene时一般采用高温煅烧的方式，不仅能耗大，而且操作较复杂，同时容易产生有害气体。其制备时处于碳化状态，碳化程度不易确定，导致材料变型，碳缺陷减少，从而影响了其催化活性，具有一定的局限性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对当前技术中存在的不足，提供一种氮掺杂MXene负载酞菁
钴复合材料的制备方法和作为氧气还原反应催化剂的应用。本专利技术首先通过氢氟酸溶液化学刻蚀Ti3AlC2制备表面吸附F端基的MXene(即Ti3C2F2)，再选择尿素作为氮掺杂剂，通过一步水热法将氮元素负载到MXene上，然后将酞菁钴和氮掺杂的MXene结合制成催化剂。本专利技术将其应用于ORR中，得到的催化材料具有良好的氧还原催化活性，应用前景广阔。
[0006]本专利技术提供如下具体技术方案：
[0007]一种氮掺杂MXene负载酞菁钴复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0008]第一步，采用化学刻蚀将Ti3AlC2刻蚀成表面吸附F端基的MXene：
[0009]将Ti3AlC2粉末加入到HF溶液中，在25
‑
45℃下搅拌12
‑
48小时，用去离子水离心洗涤，过滤干燥12
‑
24小时，得到MXene；
[0010]其中，每10
‑
20ml HF溶液加入1
‑
3g Ti3AlC2；
[0011]所述的HF溶液浓度为40～49％，Ti3AlC2粉末大小为200～400目；
[0012]第二歩，采用一步水热法将氮元素负载到MXene上：
[0013]将尿素溶于去离子水中，加入MXene，搅拌溶液混合后，倒入聚四氟乙烯高压反应釜中，在150
‑
200℃下保持8
‑
32小时；反应结束后，洗涤、过滤、干燥，得到氮掺杂的MXene；
[0014]其中，每5ml水中加入2
‑
3g尿素、0.005
‑
0.01g MXene；
[0015]第三歩，采用溶剂法将酞菁钴负载到氮掺杂的MXene上：
[0016]然后将酞菁钴溶液倒入氮掺杂的MXene溶液中，室温搅拌12
‑
24小时，过滤洗涤，干燥10
‑
12小时，得到酞菁钴负载的氮掺杂MXene复合材料。
[0017]其中，酞菁钴与氮掺杂的MXene的质量比为1：0.5
‑
6；
[0018]所述的酞菁钴溶液、氮掺杂的MXene溶液的溶剂均为DMF；每10ml的DMF加入0.005～0.5g酞菁钴；每10ml DMF中加入0.0025～3.0g氮掺杂的MXene。
[0019]所述的氮掺杂MXene负载酞菁钴复合材料的应用，将复合材料负载在燃料电池的阴极上作为催化剂。
[0020]本专利技术的实质性特点:
[0021]本专利技术采用水热法将氮元素负载到MXene上，并与酞菁钴结合，而且将合成的材料首次应用于氧气还原反应中。
[0022]与已知的其他金属以及非金属负载MXene复合材料的制备方法相比，本专利技术选取酞菁钴、尿素两种物质为负载体，并在负载之前将Ti3AlC2刻蚀成表面吸附F端基的MXene；表面吸附F端基的MXene本身具有一定的电催化活性及较高的离子导电率，且氮掺杂的MXene良好的层间距和丰富的化学组成能更好的促进电子转移；MXene本身为二维层状结构，负载氮元素后，与酞菁钴通过π
‑
π键结合产生轴向配位作用，两者的共同作用会对氧气具有更好的催化还原作用。
[0023]本专利技术的有益效果为：
[0024]本专利技术通过溶剂法制备的氮掺杂MXene负载酞菁钴的复合材料，与其他金属催化剂相比，此催化剂用一定的非金属与金属添加；降低了成本，并且操作简单，制备条件温和。同时钴、氮元素的添加，增大了电子转移速率，降低了电荷转移电阻，有效地增加了催化活性位点；并且在绝大多数MXene用于超级电容器的情况下，将其用于氧还原反应。通过电化学性能测试，合成的电催化复合材料具有良好的氧气还原催化活性。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂MXene负载酞菁钴复合材料的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：第一步，采用化学刻蚀将Ti3AlC2刻蚀成表面吸附F端基的MXene：将Ti3AlC2粉末加入到HF溶液中，在25
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45℃下搅拌12
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48小时，用去离子水离心洗涤，过滤干燥12
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24小时，得到MXene；其中，每10
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20mlHF溶液加入1
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3gTi3AlC2；第二歩，采用一步水热法将氮元素负载到MXene上：将尿素溶于去离子水中，加入MXene，搅拌溶液混合后，倒入聚四氟乙烯高压反应釜中，在150
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200℃下保持8
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32小时；反应结束后，洗涤、过滤、干燥，得到氮掺杂的MXene；其中，每5ml水中加入2
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3g尿素、0.005
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0.01gMXene...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文林，何婷婷，杨德新，刘仕萌，余文杰，段艳菊，于丰收，李春利，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：