一种氮化铜纳米片的制备及其在甲酸盐电合成中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种氮化铜纳米片的制备及其在甲酸盐电合成中的应用，涉及电催化技术领域，所述氮化铜纳米片的制备方法是先将氧化锌分散于硝酸铜溶液中，搅拌反应，离心分离出固体，洗涤，干燥，得到前驱体；然后将制备的前驱体于氨气氛围下进行焙烧，得到二维氮化铜纳米片。本发明专利技术所制二维氮化铜纳米片在电催化甲醇选择性转化制备甲酸盐中表现出较高的活性，其生成甲酸盐的法拉第效率超过90％，并实现了甲酸盐的清洁高效制备。酸盐的清洁高效制备。酸盐的清洁高效制备。

【技术实现步骤摘要】
一种氮化铜纳米片的制备及其在甲酸盐电合成中的应用

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[0001]本专利技术涉及电催化
，具体涉及一种氮化铜纳米片的制备及其在甲酸盐电合成中的应用。

技术介绍
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[0002]甲酸盐作为一种基础有机小分子，在各种药物、皮革、染料、橡胶等化工产品的实际生产中都是不可或缺的化学原料。目前传统工业中甲酸盐的生产主要是通过CO和氢氧化钠在160～200℃和1.4～1.8MPa下反应生成甲酸钠，且该方案的后续仍需要繁复的纯化步骤。该甲酸盐生产方案成本高，成品质量差，且劳动条件恶劣，污染严重，有悖于当下绿色化学的理念。因此开发一种全程清洁零污染、工艺简单的甲酸盐合成方法成为当务之急。考虑到甲醇以其价格低廉、来源广泛、便于储存等一系列优势，再加上现有绿色可再生能源(如风力发电、水力发电等)的成熟，研发高效稳定的电催化剂实现甲醇选择性电催化转化成甲酸盐具有重要意义。
[0003]过渡金属氮化物凭借其独特的电子结构、高导电性、优异的化学稳定性和机械稳定性引发了巨大的研究兴趣，显示出在电催化反应方面的巨大潜力。然而，块状过渡金属氮化物通常会受到活性位点数量有限和离子动力学缓慢的影响使其最终的电化学性能较为普通。设计具有定制形态的纳米片结构过渡金属氮化物已被证明是解决这些问题的有效策略，它可以提供更大的比表面积以及更丰富的活性位点。
[0004]专利CN 201711275090.5公开了一种氮化铜纳米晶体的制备方法，但不能理想的实现对于特定片状形貌的氮化铜的可控合成。专利CN 201210481128.5公开了一种基于氮化铜薄膜的一次写入型多层波导光存储器及其制造方法，专利CN 201310005350.2公开了基于氮化铜薄膜的一次写入型双面光盘及其制造方法)、专利CN 201310546250.0公开了一种基于氮化铜薄膜的集成电路板制造方法，这些专利集中于薄膜氮化铜样品的制备及各自应用领域，但其应用范围相对较小。论文ACS Energy Lett.2019,4,3,747
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754所提供的制备工艺得到的仍是块状氮化铜，而高暴露表面原子百分比的二维纳米片更具有广阔的应用价值。

技术实现思路
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[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种反钙钛矿结构的氮化铜纳米片的制备及其在甲酸盐电合成中的应用，所制氮化铜纳米片显示出优异的催化活性、导电性、选择性与稳定性，对甲酸盐产品的法拉第效率超过90％以上，有望在实现甲醇到甲酸盐清洁高效转化的同时也为研发有机小分子电化学转化的钙钛矿型催化材料提供了一种新的思路。
[0006]本专利技术所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
[0007]本专利技术的目的之一是提供一种氮化铜纳米片的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)将氧化锌分散于硝酸铜溶液中，搅拌反应，离心分离出固体，洗涤，干燥，得到前驱体；
[0009](2)将制备的前驱体于氨气氛围下进行焙烧，得到二维氮化铜纳米片。
[0010]步骤(1)中，所述硝酸铜溶液的浓度为0.01～1mol/L，氧化锌与硝酸铜的摩尔比为1:(5～20)。
[0011]步骤(2)中，所述焙烧温度为250～450℃，时间为1～5h。
[0012]步骤(2)中，所述二维氮化铜纳米片的粒径为200
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500nm。
[0013]步骤(1)根据Le Chatelier原理合成了Cu2(OH)3NO3纳米片前驱体，在前驱体的合成中，铜离子可以捕获硝酸根离子和缓慢释放出的氢氧根离子，形成Cu2(OH)3NO3沉淀，其中氧化锌分散在水中提供氢氧根离子。
[0014]步骤(2)基于前驱体形貌导向策略制备得到二维氮化铜纳米片。
[0015]本专利技术的目的之二是提供一种根据前述的制备方法制备得到的氮化铜纳米片。
[0016]本专利技术的目的之三是提供前述的氮化铜纳米片在电催化甲醇转化制备甲酸盐中的应用。
[0017]本专利技术的有益效果是：
[0018]相较于现有技术，本专利技术提供了一种特定二维片状氮化铜纳米晶体的制备方法，其可控的片状形貌使其具有较为广阔的应用前景；同时所提供的二维氮化铜纳米片在电催化甲醇选择性转化制备甲酸盐中表现出较高的活性，其生成甲酸盐的法拉第效率超过90％，同现有的甲酸盐制备方案相比，该过程避免了甲酸盐制备中的恶劣严苛环境，消除了生产过程中二氧化碳等温室气体及有害物质排放，实现了甲酸盐的清洁高效制备。
附图说明：
[0019]图1为本专利技术实施例1制备的前驱体的结构表征结果：(a)X射线衍射图；(b)扫描电镜图；(c)元素分析图；
[0020]图2为本专利技术实施例1制备的Cu3N纳米片的结构表征结果：(a)X射线衍射图；(b)扫描电镜图；(c)透射电镜图；(d)高分辨率透射电镜图；(e)元素分析图；
[0021]图3为本专利技术实施例1制备的Cu3N纳米片在电催化甲醇转化制备甲酸盐中的性能测试结果：(a)含或不含1mol/L的甲醇电解液中的线性扫描伏安法曲线；(b)达到不同电流密度下所需的电位；(c)电解液产品离子色谱分析；(d)不同电位下甲酸盐生成的法拉第效率；(e)12h的时间电流曲线；(f)多电压阶跃曲线。
具体实施方式：
[0022]为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本专利技术。
[0023]实施例1
[0024]氮化铜纳米片的制备：
[0025](1)称取50mg ZnO分散于50mL 0.1M Cu(NO3)2溶液中，超声使其均匀分散，磁力搅拌24h，离心分离出固体，使用超纯水洗涤三遍，乙醇洗涤一遍，于60℃真空干燥箱中干燥24h，得到前驱体。
[0026]对前驱体进行结构表征，结果见图1。
[0027]图1(a)中前驱体的衍射峰与Cu2(OH)3NO3卡片相匹配，由此证明本专利技术实现了目标
前驱体的成功制备；图1(b)表明前驱体为长度约为400nm的二维片状形貌；图1(c)表明Cu元素、N元素和O元素在前驱体中均匀分布。
[0028](2)将制备的前驱体置于石英舟中并放入管式煅烧炉中，于氨气氛围下以10℃/min的升温速率从室温升温至300℃并维持2h，自然冷却至室温，得到Cu3N样品。
[0029]对Cu3N样品进行结构表征，结果见图2。
[0030]图2(a)中Cu3N样品所有出现的衍射峰均一一对应于纯净的立方Cu3N衍射峰，由此证明本专利技术实现了纯净Cu3N的成功制备；图2(b)和图2(c)显示Cu3N样品基本上保持了前驱体的纳米片形态，直径约为400nm。此外，值得指出的是，与前驱体相比，Cu3N样品具有更粗糙的表面，可以在随后的催化反应中提供更多的活性中心；图2(d)显示0.22nm的晶格间距对应立方Cu3N的(111)晶面；图2(e)表明Cu元素和N元素在Cu3N样品中均匀分布。
[0031]以上结果证明本专利技术基于Le Chatelie本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮化铜纳米片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将氧化锌分散于硝酸铜溶液中，搅拌反应，离心分离出固体，洗涤，干燥，得到前驱体；(2)将制备的前驱体于氨气氛围下进行焙烧，得到二维氮化铜纳米片。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述硝酸铜溶液的浓度为0.01～1mol/L，氧化锌与硝酸铜的摩尔比为1:(5～20)。3.根据权利要求1所述的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐坤，赵磊，孙啟焦，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：