CN107814670A - NiO/MXene复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
NiO/MXene复合材料及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种NiO/MXene复合材料及其制备方法和应用。该复合材料以MXene作为支撑载体，NiO粒子均匀分散于MXene的表面，其中，NiO与MXene的质量比为2:98~50:50，其制备步骤为：（1）将一定量的MAX材料置于一定浓度的HF酸溶液中刻蚀得到MXene材料；（2）将一定量的镍盐和步骤（1）中的MXene置于烧杯中混合搅拌，期间逐滴加入一定浓度的NaOH溶液，搅拌一段时间后，洗涤、离心、真空冷冻干燥；（3）将步骤（2）中制备的混合物置于管式炉中，在氮气气氛下煅烧得到目标产物。本发明所制备出的NiO/MXene复合材料应用于高氯酸铵（AP）的热分解，并表现出较好的催化效果；且制备工艺简单，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种NiO/MXene复合材料的制备方法以及将其用于催化分解高氯酸铵，属于材料制备及含能材料领域。
背景技术
高氯酸铵（AP）是复合固体推进剂中最常见的氧化剂组分，其占整个推进剂总量的60%左右。因此，高氯酸铵的热分解行为对固体推进剂的性能有很大的影响，而高氯酸铵的热分解行为又由热分解活化能、热分解速率以及高温分解温度等参数来衡量。所以降低高氯酸铵的高温分解温度是一个提高其热分解行为的重要手段，其中添加催化剂是一个很重要的策略。研究表明，过渡金属氧化物、复合材料等均可以降低高氯酸铵的高温分解温度或提高分解速率，显示出较好的催化效果。例如本课题组【Tan L, et al. Materials, 2017,10(5), 484】采用简单的化学沉淀法制备了g-C3N4 / CuO复合材料，该材料对高氯酸铵的催化表现出较好的效果。
纳米氧化镍（NiO）是一种过渡金属氧化物，其作为燃烧催化剂表现出了较好的催化效果。但是纳米材料易团聚使粒径变大，从而影响其优良特性。目前，将催化剂负载分散到二维材料表面是提高催化剂催化效果的一种重要手段。基于以上分析，本发明制备出了一种新型的NiO / MXene复合材料，对高氯酸铵（AP）的热分解有较强的催化作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于催化分解高氯酸铵的NiO/MXene复合材料以及制备方法，为高氯酸铵的热分解提供一种新型催化剂。
为达到上述技术效果，本发明采取以下的技术方案：
本发明所提供的NiO/MXene复合材料是以MXene作为支撑载体，NiO粒子均匀分散于MXene的表面，且NiO与MXene的质量比为2:98 ~50:50。
本发明还提供了一种NiO/MXene复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将MAX置于10%~50%wt%的HF酸溶液中于60±5℃下刻蚀17.5~18.5h制备MXene；
（2）将镍盐和步骤（1）中的MXene置于去离子水中搅拌，使镍盐溶解，MXene分散均匀，接着向混合溶液中逐滴滴加NaOH溶液，继续搅拌一段时间后，洗涤、离心、真空冷冻干燥；
（3）将步骤（2）中制备的混合物置于管式炉中，在氮气气氛下煅烧得到目标产物NiO/MXene复合材料。
优选的，所述步骤（1）中，HF酸的浓度为40wt%。
优选的，所述步骤（1）中，MAX为Ti3AlC2。
优选的，所述步骤（2）中，镍盐为硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐或是盐酸盐。
优选的，所述步骤（2）中，继续搅拌时间为20 min~150 min。
优选的，所述步骤（2）中，真空冷冻干燥的时间为2 h~24 h。
优选的，所述步骤（3）中，煅烧时间为30 min~150min，煅烧温度为200℃~400℃。
本发明还提供了一种NiO/MXene复合的应用，所述的复合材料用于催化高氯酸铵（AP）的热分解。
本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：
（1）本发明制备的NiO/MXene复合材料用于催化高氯酸铵（AP）的热分解，为高氯酸铵（AP）的分解提供了一种新型催化剂。
（2）NiO与MXene通过静电作用结合，加快电子迁移速率，且制备过程使NiO粒子均匀分散在MXene表面，有效提高了NiO/MXene复合材料的催化活性。
（3）本发明制备的NiO/MXene复合材料的制备工艺简单，成本低廉，重复性好，有较好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的MXene、NiO/MXene复合材料以及MXene前体MAX的XRD曲线。
图2为实施例1-2制备的MXene、NiO/MXene复合材料以及MXene前体MAX的扫描电子显微镜图片（a为前体MAX的扫描电镜图；b为MXene的扫描电镜图；c为b的局部放大图；d为NiO/MXene复合材料的扫描电镜图；e为d的局部放大图）。
图3为实施例1-2制备的MXene和NiO/MXene复合材料透射电子显微镜图片（a，b为MXene的透射电镜图；c，d是NiO/MXene复合材料的透射电镜图）。
图4为实施例7-13高氯酸铵的热分解曲线。
图5为本发明一种NiO/MXene复合材料的制备方法示意图。
具体实施方式
下面结合本发明的实施例对本发明作出进一步阐述和说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1 :制备MXene
称取2gMAX（Ti3AlC2）放入聚四氟乙烯烧杯中，将40ml浓度为40wt%的HF酸缓慢加入烧杯中，然后将烧杯置于60℃的水浴锅中，不断搅拌18h，搅拌结束后洗涤、离心、真空冷冻干燥24h，得到黑色粉末MXene（Ti3C2）样品。
将MAX以及实施例1制备的材料，经X射线衍射仪扫描后，见图1，为Ti3AlC2和MXene；
将MAX以及实施例1制备的材料，经扫描电子显微镜观察后，见图2，可以看到MAX典型的块状结构，以及MXene典型的手风琴状结构；
实施例2: 制备NiO/MXene复合材料
（1）按照实施例1的方法制备出MXene（Ti3C2）；
（2）将38mgNiSO4·6H2O置于30ml去离子水中，再加入0.2g步骤（1）制备的MXene，混合搅拌30min；
（3）配置30ml含有12mgNaOH的溶液，并将其逐滴加入步骤（2）的混合溶液中，并持续搅拌2h，接着洗涤、离心、真空冷冻干燥24h；
（4）将步骤（3）得到的样品置于管式炉中，以5℃/min的速率升温到350℃，并保温2h得到NiO/MXene复合材料，其制备过程如图5。
将实施例2制备的材料，经X射线衍射仪扫描后，见图1，为NiO/MXene复合材料；
将实施例2制备的材料，经扫描电子显微镜观察后，见图2，可以看到NiO粒子较均匀的附着在MXene表面及边缘；
将实施例2制备的材料，经透射电子显微镜观察后，见图3，可以看到MXene样品轻而薄的片状结构，同时可以看出NiO/MXene复合材料中，NiO粒子在MXene表面的均匀分散。
实施例3 :制备NiO/MXene复合材料
（1）按照实施例1的方法制备出MXene（Ti3C2）；
（2）将78mgNiSO4·6H2O置于30ml去离子水中，再加入0.2g步骤（1）制备的MXene，混合搅拌30min；
（3）配置30ml含有24mgNaOH的溶液，并将其逐滴加入步骤（2）的混合溶液中，并持续搅拌2h，接着洗涤、离心、真空冷冻干燥24h；
（4）将步骤（3）得到的样品置于管式炉中，以5℃/min的速率升温到350℃，并保温2h得到NiO/MXene复合材料。
实施例4 :制备NiO/MXene复合材料
（1）按照实施例1的方法制备出MXene（Ti3C2）；
（2）将124.2mgNiSO4·6H2O置于30ml去离子水中，再加入0.2g步骤（1）制备的MXene，混合搅拌30min；
（3）配置30ml含有38mgNaOH的溶液，并将其逐滴加入步骤（2）的混合溶液中，并持续搅拌2h，接着洗涤、离心、真空冷冻干燥24h；
（4）将步骤（3）得到的样品置于管式炉中，以5℃/min的速率升温到350℃，并保温2h得到NiO/MXene复合材料。
实施例5: 制备NiO/MXene复合材料
（1）按照实施例1的方法制备出MXene（Ti3C2）；
（2）将167.1mgNiSO4·6H2O置于30ml去离子水中，再加入0.2g步骤（1）制备的MXene，混合搅拌30min；
（3）配置30ml含有51mgNaOH的溶液，并将其逐滴加入步骤（2）的混合溶液中，并持续搅拌2h，接着洗涤、离心、真空冷冻干燥24h；
（4）将步骤（3）得到的样品置于管式炉中，以5℃/min的速率升温到350℃，并保温2h得到NiO/MXene复合材料。
实施例6 :制备NiO
（1）将3.52gNiSO4·6H2O置于14ml去离子水中，搅拌至固体颗粒完全溶解；
（2）配置30ml含有1.2gNaOH的溶液，并将其逐滴加入步骤（1）的溶液中，并持续搅拌2h，接着洗涤、离心、真空冷冻干燥24h；
（3）将步骤（2）得到的样品置于管式炉中，以5℃/min的速率升温到350℃，并保温2h得到NiO材料。
实施例7 :高氯酸铵（AP）的热分解
取高氯酸铵（AP）3mg左右测试TG-DSC，测试条件：氮气气氛，流量：20ml/min，升温速率10℃/min，温度范围：100-500℃。测试结果见图4，DSC曲线表明， AP的高温分解温度为437.8℃。
实施例8: MXene催化高氯酸铵（AP）热分解的应用
取实施例1制备的MXene材料0.01g置于含有乙醇溶液的玛瑙研钵中，超声，搅拌10min，接着将0.49g高氯酸铵（AP）加入上述分散液中，继续超声10min，并不断搅拌均匀，干燥后取样3mg左右测试TG-DSC，测试条件：氮气气氛，流量：20ml/min，升温速率10℃/min，温度范围：100-500℃。测试结果见图4，DSC曲线表明，加入MXene后，AP的高温分解温度为427.6℃。
实施例9 :NiO催化高氯酸铵（AP）热分解的应用
取实施例6制备的NiO材料0.01g置于含有乙醇溶液的玛瑙研钵中，超声，搅拌10min，接着将0.49g高氯酸铵（AP）加入上述分散液中，继续超声10min，并不断搅拌均匀，干燥后取样3mg左右测试TG-DSC，测试条件：氮气气氛，流量：20ml/min，升温速率10℃/min，温度范围：100-500℃。测试结果见图4，DSC曲线表明，加入NiO后，AP的高温分解温度为391.3℃。
实施例10: NiO/MXene催化高氯酸铵（AP）热分解的应用
取实施例2制备的NiO/MXene材料0.01g置于含有乙醇溶液的玛瑙研钵中，超声，搅拌10min，接着将0.49g高氯酸铵（AP）加入上述分散液中，继续超声10min，并不断搅拌均匀，干燥后取样3mg左右测试TG-DSC，测试条件：氮气气氛，流量：20ml/min，升温速率10℃/min，温度范围：100-500℃。测试结果见图4，DSC曲线表明，加入NiO/MXene后，AP的高温分解温度为387.2℃。
实施例11: NiO/MXene催化高氯酸铵（AP）热分解的应用
取实施例3制备的NiO/MXene材料0.01g置于含有乙醇溶液的玛瑙研钵中，超声，搅拌10min，接着将0.49g高氯酸铵（AP）加入上述分散液中，继续超声10min，并不断搅拌均匀，干燥后取样3mg左右测试TG-DSC，测试条件：氮气气氛，流量：20ml/min，升温速率10℃/min，温度范围：100-500℃。测试结果见图4，DSC曲线表明，加入NiO/MXene后，AP的高温分解温度为377.5℃。
实施例12 :NiO/MXene催化高氯酸铵（AP）热分解的应用
取实施例4制备的NiO/MXene材料0.01g置于含有乙醇溶液的玛瑙研钵中，超声，搅拌10min，接着将0.49g高氯酸铵（AP）加入上述分散液中，继续超声10min，并不断搅拌均匀，干燥后取样3mg左右测试TG-DSC，测试条件：氮气气氛，流量：20ml/min，升温速率10℃/min，温度范围：100-500℃。测试结果见图4，DSC曲线表明，加入NiO/MXene后，AP的高温分解温度为395.7℃。
实施例13: NiO/MXene催化高氯酸铵（AP）热分解的应用
取实施例5制备的NiO/MXene材料0.01g置于含有乙醇溶液的玛瑙研钵中，超声，搅拌10min，接着将0.49g高氯酸铵（AP）加入上述分散液中，继续超声10min，并不断搅拌均匀，干燥后取样3mg左右测试TG-DSC，测试条件：氮气气氛，流量：20ml/min，升温速率10℃/min，温度范围：100-500℃。测试结果见图4，DSC曲线表明，加入NiO/MXene后，AP的高温分解温度为399.7℃。
实施例7-13的结果表明：NiO/MXene复合材料可以使高氯酸铵（AP）的高温分解温度峰值从437.8℃降低至377.5℃，表明本发明制备出的NiO/MXene复合材料对高氯酸铵（AP）的热分解表现出良好的催化效果，使高氯酸铵（AP）在更低的温度下分解。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.NiO/MXene复合材料，其特征在于，以MXene作为支撑载体，NiO粒子均匀分散于MXene的表面，其中，NiO与MXene的质量比为2:98 ~50:50。
2.如权利要求1所述的NiO/MXene复合材料，其特征在于，NiO与MXene的质量比为10:90。
3.如权利要求1或2所述的NiO/MXene复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将MAX置于10%~50%wt%的HF酸溶液中于60±5℃下刻蚀17.5~18.5h制备MXene；
（2）将镍盐和步骤（1）的MXene置于去离子水中搅拌均匀，接着向混合溶液中逐滴滴加NaOH溶液，继续搅拌一段时间后，洗涤、离心、真空冷冻干燥；
（3）将步骤（2）制备的混合物在氮气气氛下煅烧后得到所述的NiO/MXene复合材料。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，HF酸溶液的浓度为40wt%。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，MAX为Ti3AlC2。
6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，镍盐为硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐或是盐酸盐。
7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，继续搅拌时间为20 min~150min。
8.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，真空冷冻干燥的时间为2 h~24 h。
9.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，煅烧时间为30 min~150min，煅烧温度为200℃~400℃。
10.如权利要求1所述的NiO/MXene复合材料用于催化高氯酸铵热分解的用途。
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