一种金属单原子修饰的三维多孔MXenes复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金属单原子修饰的三维多孔MXenes复合材料的可控制备方法。本发明专利技术制备的复合材料以三维多孔双非金属掺杂的MXenes纳米片为基底，掺杂金属元素以单原子的形式锚定在上述纳米片上。同时，该制备方法简单、快捷高效，具有普适性，能够制备一系列不同金属单原子修饰的三维多孔MXenes复合材料。金属单原子修饰的三维多孔MXenes复合材料。

【技术实现步骤摘要】
一种金属单原子修饰的三维多孔MXenes复合材料的制备方法


[0001]本专利技术属于单原子催化材料制备领域，更具体地，涉及一种金属单原子修饰的三维多孔MXenes复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]MXenes是一类新型二维纳米材料，包括过渡金属碳化物、氮化物及其碳氮化物，其通式为M
n+1
X
n
T
x
，其中M为前过渡金属元素(Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta等)，X 为C、N或者CN，T
x
为表面官能团(
‑
OH、
‑
F、＝O等)，n为1、2、3。由导电碳层和金属层形成的独特二维层状结构和表面化学组成赋予了MXenes材料优异的导电能力、机械性能、亲水特性以及离子传输性能，使得MXenes在电催化领域展现出极大的应用前景。MXenes的表面官能团是电催化反应中的主要活性位点。然而，表面官能团的中间体结合能极高，导致MXenes 在电催化过程中的动力学反应非常缓慢。因此，基于MXenes的电催化材料研究仍然面临着极大的挑战。此外，与石墨烯等二维材料一样，MXenes纳米片层之间由于存在强范德华力相互作用会产生自发堆叠和团聚，这严重影响其催化活性位点的有效暴露并制约其实际应用。目前研究者们都致力于通过表面化学成分改性来提高MXenes电催化材料的活性，其中研究最广泛的当属金属单原子掺杂策略。然而，之前的研究都忽视了通过构筑三维多孔结构来防止 MXenes片层自发堆叠和团聚，改善MXenes电催化材料的传质能力和稳定性，进而提高其综合电催化性能。因此，急需要开发出一种金属单原子修饰的三维多孔MXenes复合材料的制备方法。

技术实现思路

[0003]针对以上不足，本专利技术旨在提供一种金属单原子修饰的三维多孔MXenes复合材料的制备方法。
[0004]本专利技术涉及的金属单原子修饰的三维多孔MXenes复合材料的特征如下，包括：
[0005]金属单原子修饰的三维多孔MXenes复合材料，其特征在于，具有不规则的三维多孔微观结构，其孔径在5
‑
20微米左右；所述的金属单原子均匀分布在具有三维多孔结构的 MXenes基底上，且尺寸在亚纳米尺度。
[0006]进一步的，所述的MXenes包括Ti3C2T
X
、Ti2CT
X
、Mo2CT
X
，但不限于Ti3C2T
X
、Ti2CT
X
、 Mo2CT
X
，优选为Ti3C2T
X
。
[0007]进一步的，所述的金属单原子包括Pt、Ir、Ru、Pd、Au，但不限于Pt、Ir、Ru、 Pd、Au，优选为Pt。
[0008]进一步的，所述的金属单原子通过与非金属异原子N和P(或者S)形成化学键，锚定于具有三维多孔结构的MXenes基底上。
[0009]金属单原子修饰的三维多孔MXenes复合材料的制备方法如下，包括以下步骤：
[0010]S1采用氟化锂
‑
盐酸混合溶液对Ti3AlC2材料进行化学剥离，得到少层Ti3C2T
X
纳米片溶液。
[0011]S2向上述少层Ti3C2T
X
纳米片溶液依次加入三聚氰胺、三苯基膦(或者硫脲)和相应待掺杂的金属前驱体，之后将上述混合物冷冻干燥。
[0012]S3将冷冻干燥后得到的混合物在氩气氛下常压退火，退火完成后，待冷却至室温，收集反应产物，即可得到金属单原子修饰的三维多孔MXenes复合材料。
[0013]按上述方案，所述的步骤S2中的三苯基膦需要先溶解于叔丁醇中，并超声30
‑
60分钟。
[0014]按上述方案，所述的步骤S2中的Ti3C2T
X
纳米片与三聚氰胺质量的比例为1:1
‑
1:3， Ti3C2T
X
纳米片与三苯基膦(或者硫脲)质量的比例为1:1
‑
1:3。
[0015]按上述方案，所述的步骤S3中的退火温度为400
‑
600摄氏度，退火时间为1
‑
4小时。
[0016]本专利技术与现有技术相比有以下突出优势：
[0017](1)本专利技术巧妙地将金属单原子锚定于具有三维多孔结构的MXenes材料上，且金属单原子精确地与异原子N和P(或者S)配位。
[0018](2)本专利技术中所述的制备方法具有普适性，可制备一系列金属单原子修饰的三维多孔MXenes复合材料。
[0019](3)本专利技术所述的的制备方法简单、快捷高效，易于实现规模化和工业化生产。
附图说明
[0020]图1为实施例中少层Ti3C2T
X
纳米片的材料表征。图1a为Ti3C2T
X
纳米片的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图。图1b为Ti3C2T
X
纳米片的原子力显微镜(AFM)图。由AFM图可知， Ti3C2T
X
纳米片的厚度在3
‑
5纳米左右。
[0021]图2为实施例1中Pt单原子修饰的三维多孔氮磷掺杂Ti3C2T
X
复合材料的材料表征。图2a为三维多孔氮磷掺杂Ti3C2T
X
(PNPM)和Pt单原子修饰的三维多孔氮磷掺杂Ti3C2T
X
复合材料(Pt SA
‑
PNPM)的X射线衍射花样(XRD)图。图2b为Pt单原子修饰的三维多孔氮磷掺杂Ti3C2T
X
复合材料的扫描电子显微镜(SEM)图。图2c为Pt单原子修饰的三维多孔氮磷掺杂 Ti3C2T
X
复合材料的扫描透射显微镜高角环形暗场像(HAADF
‑
STEM)。图2d，e为Pt单原子修饰的三维多孔氮磷掺杂Ti3C2T
X
复合材料的X射线光电子能谱(XPS)图。图2f为Pt单原子修饰的三维多孔氮磷掺杂Ti3C2T
X
复合材料在Pt L3‑
edge的傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构 (FT
‑
EXAFS)谱。
[0022]图3为实施例2中Ir单原子修饰的三维多孔氮磷掺杂Ti3C2T
X
复合材料的材料表征。图3a为Ir单原子修饰的三维多孔氮磷掺杂Ti3C2T
X
复合材料的扫描透射显微镜高角环形暗场像(HAADF
‑
STEM)。图3b为Ir单原子修饰的三维多孔氮磷掺杂Ti3C2T
X
复合材料在Ir L3‑
edge 的傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构(FT
‑
EXAFS)谱。
[0023]图4为实施例3中Ru单原子修饰的三维多孔氮磷掺杂Ti3C2T
X
复合材料的材本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属单原子修饰的三维多孔MXenes复合材料，其特征在于，主体为具有三维多孔结构的双非金属掺杂MXenes纳米片，金属元素以单原子的形式锚定在上述纳米片上。2.根据权利要求1所述的MXenes包括但不限于Ti3C2T
X
、Ti2CT
X
、Mo2CT
X
，优选为Ti3C2T
X
。3.根据权利要求1所述的三维多孔双非金属掺杂MXenes纳米片，其特征在于，孔径大小在5
‑
20微米之间，掺杂的非金属为N和P(S)。4.根据权利要求1所述的金属单原子包括但不限于Pt、Ir、Ru、Pd、Au，优选为Pt。5.根据权利要求1所述的金属单原子修饰的三维多孔MXenes复合材料，其特征在于，所述的单原子金属的掺杂量在0.5wt％
‑
5.0wt％。6.根据权利要求1所述的金属单原子，其特征在于，尺寸在亚纳米尺度。7.根据权利要求1所述的金属单原子，其特征在于，与非金属原子N和P(或者S)配位。8.权利要求1所述的金属单原子修饰的三维多孔MXenes复...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭勇文，彭伟，彭鸣，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：