一种单少层制造技术

本发明专利技术公开了一种单少层

【技术实现步骤摘要】
一种单少层Ti3C2T
x
负载Fe
‑
N
‑
C氧还原催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于非贵金属掺杂碳氧还原催化剂的合成
，具体涉及一种单少层
Ti3C2T
x
负载
Fe
‑
N
‑
C
氧还原及其制备方法
。

技术介绍

[0002]随着人类文明和工业的快速发展，环境污染和能源危机日益严重
。
传统化石能源已经不能满足当代社会的发展需求，能源消费结构清洁化
、
低碳化将成为世界能源体系发展的必然趋势
。
开发高效清洁的新能源技术势在必行，锌空气电池在推动能源结构绿色化
、
低碳化中发挥着举足轻重的作用
。
以锌空气电池为代表的绿色能源转换和储存装置具有安全
、
零污染
、
高能量
、
大功率
、
低成本等优点，在未来具有广阔的发展空间
。
然而，阴极氧还原反应（
Oxygen reduction reaction
，
ORR
）作为锌空气电池中最重要的半反应之一，直接决定了电池的性能
。
由于其反应能垒过高，动力学缓慢，必须使用催化剂以加快其反应动力学
。Pt/C
作为一种广泛应用的商业
ORR
催化剂，催化活性高
、/>稳定性好，但具有价格高
、
储量少的局限性
。
所以，如何在减少
Pt
用量甚至取代
Pt
的前提下保持高催化活性和稳定性是一个重大挑战
。
[0003]近年来，负载在氮掺杂碳上的过渡金属（
M
‑
N
‑
C
，
M
为过渡金属，如
Fe、Co、Ni
等）因具有和
Pt/C
相似的含氧中间体吸脱附特性，表现出较好的氧还原活性和循环稳定性，有望成为代替贵金属催化剂的候选者之一
。
其中，
Fe
‑
N
‑
C
和
Co
‑
N
‑
C
催化剂因其温和的含氧中间体吸脱附性能，表现出优异的
ORR
性能
。
杂原子掺杂
Fe
‑
N
‑
C
催化剂成为理想的非贵金属催化剂，
M
‑
N
x
‑
C
催化剂的催化位点包括非金属部分和金属部分，相比于非金属部分
(C
‑
N
x
)
，含金属部分
MN
x
被认为是
M
‑
N
x
‑
C
催化剂高活性的来源
。
因此，寻求一种能够牢牢锚定
Fe
并精细调节活性位点的电子状况的基底，将有望提高
Fe
‑
N
‑
C
碳材料催化剂的
ORR
性能
。
[0004]MXene
是一类二维过渡金属碳化物
/
氮化物材料，由其前驱体
MAX
相材料中选择性刻蚀掉
A
层而形成
。MAX
相是一个三元碳化物和氮化物体系，由于其组成而被命名为
M
n+1
AX
n
，其中
M
为早期过渡金属元素（如
Ti、Mo、V
等），
A
主要为
IIIA
族或
IVA
族元素（如
Al、Si、P
等），
X
为
C
和
/
或
N
元素，
n=1、2、3。
其中，
M
‑
X
是共价键和离子键，
M
‑
A
键是金属键，所以相比于以范德华力为主要结合力的石墨烯层状材料，
MAX
相中的键强更强，且
M
‑
A
键比
M
‑
X
键具有更强的化学活性，可以在不破坏
M
‑
X
键的情况下，通过化学手段选择性地刻蚀
A
层，形成
M
n+1
X
n
，即
MXene。MXene
作为一个新兴的二维金属碳化物
、
氮化物和碳氮化物家族，因其优异的导电性
、
独特的层状结构和丰富的功能表面基团而受到了广泛的研究
。Ti3C2T
x
‑
MXene
作为研究最广泛的基团，通常通过氢氟酸（
HF
）或氟化蚀刻剂从层状三元过渡金属碳化物
Ti3AlC
2 MAX
（对于
MAX
，“M”表示早期过渡金属，“A”表示
A
族元素，“X”表示碳和
/
或氮）选择性蚀刻铝层来生成
。
在蚀刻过程中，在溶解铝层后，将大块
Ti3AlC2剥离成单层或多层超薄
Ti3C2T
x
‑
MXene
；这种处理在
MXene
表面留下了丰富的端基“T”，包括
‑
O、
‑
OH
和
‑
F
基团，已知这些端基有助于吸附金属前体
。
同样重要的是，一些相邻的钛原子也被取出
。
单少层
Ti3C2T
x
因其金属导电性
、
元素组成多样性
、
亲水性以及良好的机械性能等特性具有广阔的发展前景，其表面具
有
‑
OH、
‑
O、
‑
F
等负价官能团，这些负价官能团可以与
Fe
离子耦合，经进一步碳化形成具有丰富
Fe
‑
N
x
活性位点的多孔碳材料
。
该类材料具有优于
Pt/C
的氧还原性能
。

技术实现思路

[0005]本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案， 一种单少层
Ti3C2T
x
负载
Fe
‑
N
‑
C
氧还原催化剂的制备方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种单少层
Ti3C2T
x
负载
Fe
‑
N
‑
C
氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，具体过程为：步骤
S1
：将单少层
Ti3C2T
x
、
卟啉铁
、C3N4和
L
‑
谷氨酸分散在二甲基亚砜中得到分散液，常温搅拌后经离心
、
洗涤和真空干燥后得到物料
A
；步骤
S2
：将物料
A
在惰性气体保护下加热并保温，然后自然冷却至室温得到所述单少层
Ti3C2T
x
负载
Fe
‑
N
‑
C
氧还原催化剂
。2.
如权利要求1所述的一种单少层
Ti3C2T
x
负载
Fe
‑
N
‑
C
氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，所述单少层
Ti3C2T
x
是通过原位刻蚀法得到的
、
所述
C3N4是通过三聚氰胺烧结形成的
。3.
如权利要求1所述的一种单少层
Ti3C2T
x
负载
Fe
‑
N
‑
C
氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，步骤
S1
中所述单少层
Ti3C2T
x
加入量为
0~0.05g
，三聚氰胺烧结形成的
C3N4和
L
‑
谷氨酸的投料配比为
4:1
，卟啉铁加入量为
0.4~0.7g。4.
如权利要求1所述的一种单少层
Ti3C2T
x
负载
Fe
‑
N
‑
C
氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，步骤
S2

【专利技术属性】
技术研发人员：高书燕，王云凤，魏旬，古慧宾，杨天芳，陈野，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：