CN111229273B - 一种红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种红磷/黑磷异质结‑Mxene纳米电催化剂及其制备方法，该制备方法包括如下步骤：步骤1，将赤磷加入去离子水中后置于水热反应釜中进行水热反应，而后冷确至室温，接着进行鼓风烘干，并在玛瑙研钵中研磨，得到红磷粉末；步骤2，将钛碳化铝加入氢氟酸中进行刻蚀，而后分别采用去离子水和乙醇进行离心洗涤至pH值呈中性，并进行真空干燥，得到Mxene纳米片；步骤3，将所述红磷粉末与所述Mxene纳米片混合均匀后，在氩气氛围下进行高能球磨，得到红磷/黑磷异质结‑Mxene纳米电催化剂；该催化剂采用上述制备方法制备得到。本发明的制备方法简单，制备得到的催化剂具有良好的析氢性能和优异的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于能源材料的制备和应用领域，具体涉及一种红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂及其制备方法。
背景技术
能源危机和环境污染已日益严峻，威胁着人类的生存和发展。氢能是一种十分重要的能源，由于氢气的高能量密度以及环境友好的特点，它被认为是可持续的能源储存的理想能源载体和化石燃料的替代物。而目前，氢气的生产依赖于化石燃料行业，因此也面临许多难题如氢气纯度低和代价较高。而利用电流使水分解产生氢气和氧气是非常有效的产氢方法，而且生产成本低，制备的氢气纯度高。
电解水产氢反应被认为是大规模工业产氢的一种高效途径。贵金属展现了及其优异的催化活性，如Pt/C是目前性质最佳的电解水产氢催化剂，但是贵金属由于含量有限且花费巨大因而无法大规模推广。Mxene理论上具有数十种结构，其多种的化学性质允许对应用性能调整，包括储能，电磁干扰屏蔽，复合材料增强，生物传感器和光、电催化；同时黑磷具有随厚度变化的带隙和较高的电子迁移率，这使得黑磷作为二维材料也具有优秀的电催化剂潜能。
而基于能带理论的电子调控是一种设计催化剂的方式，通过将不同种材料进行组合，利用不同材料费米能级的不同，实现电子在特定材料的富集，因此对于红磷/黑磷异质结结构与Mxene的复合材料来说，其电解水产氢反应催化活性有着显著的提高。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂及其制备方法。
本发明提供了一种红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂的制备方法，具有这样的特征，包括如下步骤：步骤1，将赤磷加入去离子水中后置于水热反应釜中进行水热反应，而后冷确至室温，接着进行鼓风烘干，并在玛瑙研钵中研磨，得到红磷粉末；步骤2，将钛碳化铝加入氢氟酸中进行刻蚀，而后分别采用去离子水和乙醇进行离心洗涤至pH值呈中性，并进行真空干燥，得到Mxene纳米片；步骤3，将红磷粉末与Mxene纳米片混合均匀后，在氩气氛围下进行高能球磨，得到红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂。
在本发明提供的红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，赤磷的纯度为99.999％，质量为0.9g～1g，去离子水的体积为28ml～32ml，水热反应的温度为170～190℃，时间为20h～24h，鼓风烘干的温度为45～55℃，研磨的时间为25min～35min。
在本发明提供的红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，钛碳化铝的质量为0.9g～1.1g，氢氟酸的浓度为40％，体积为20ml，刻蚀时采用磁力搅拌，且时间为45h～55h，磁力搅拌速度为450～550转/min，采用去离子水进行离心的离心速度为4800～5200转/min，离心时间为5min～10min，离心3次，采用乙醇进行离心的离心速度为8000～10000转/min，离心时间为5min～10min。
在本发明提供的红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中，红磷粉末和Mxene纳米片的质量和与球磨珠的质量比为0.8～1.2:27～33，球磨珠为大球磨珠、中球磨珠、小球磨珠的混合，其个数比为2:5～3.5:2.5～3.5:3.5～4.5。
在本发明提供的红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中，球磨的温度为10～30℃，球磨时间为48h，球磨的转速为480～520rpm。
在本发明提供的红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中，红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂中的红磷/黑磷异质结纳米片与Mxene纳米片的质量比为8～12：95～105，且红磷/黑磷异质结纳米片负载于Mxene纳米片表面。
本发明还提供了一种红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂，用于电解水产氢，具有这样的特征：由上述的铈红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂的制备方法制备得到。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂及其制备方法，采用本发明的红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂的制备方法能够制备得到红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂，该催化剂基于材料间费米能级的不同使得电子在催化剂上富集，使催化剂具在电解水产氢反应中具有很高的催化活性和析氢性能，使其能够应用于电解水产氢反应的应用中，且该催化剂还表现出了良好的稳定性。此外，本发明的红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂的制备方法，工艺流程简单，操作方便。
附图说明
图1是本发明的实施例中红磷/黑磷纳米片的透射电子显微镜像；
图2是本发明的实施例中Mxene纳米片的透射电子显微镜像；
图3是本发明的实施例中红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂的透射电子扫描电子显微镜像。
图4是本发明的实施例中红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂在0.5M H2SO4酸性环境下的线性扫描伏安性能图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
实施例：
步骤1，将1g纯度99.999％的赤磷与40ml去离子水放入体积为50ml内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜内，放入180℃烘箱内水热24小时，反应完成后取出鲜艳红色的红磷于50℃鼓风烘箱内干燥，得到如图1所示的红磷，而后置于玛瑙研钵中研磨粉碎，得到红磷粉末。
步骤2，将1g钛碳化铝置于50ml塑料烧杯中，滴加氢氟酸(40％)20ml对钛碳化铝刻蚀2天，刻蚀完成后对Mxene先用去离子水在5000rpm转速下离心3次，后用乙醇在10000rpm转速下对样品离心数次，直至溶液pH为中性，后置于60℃真空烘箱内干燥，得到Mxene纳米片，如图2所示。
步骤3，取500mg红磷粉末和500mgMxene于不锈钢球磨罐中，而后称取30g大球磨珠、中球磨珠、小球磨珠的个数比为3:3:4的不锈钢球磨珠并放入不锈钢球磨罐内，而后以500rpm的转速球磨48小时，即得到红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂，如图3所示。
以上操作均在手套箱内完成。
将制备得到的红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂制备成墨水，进行测试，具体步骤如下：
取5mg样品于2ml样品管，滴加500μl去离子水、470μl异丙醇以及30μlNafion溶液于样品管内，而后进行30min的超声。
实施例的作用与效果
由上述实施例可知，在0.5M H2SO4酸性条件下，实施例中红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂在j＝10mA·cm-2的电流密度其过电位仅为0.67V，如图4所示。本发明实施例中的红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂在无其他贵金属或非贵金属负载的情况下展现了较低的过电位，可以通过掺杂、负载等其他方式对本实施例催化剂基础上进行进一步优化改进。作为一种的优秀载体催化剂，本发明实施例催化剂展现了巨大潜力。
因此，采用本发明的红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂的制备方法能够制备得到红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂，该催化剂基于材料间费米能级的不同使得电子在催化剂上富集，使催化剂具在电解水产氢反应中具有很高的催化活性和析氢性能，使其能够应用于电解水产氢反应的应用中，且该催化剂还表现出了良好的稳定性。此外，本发明的红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂的制备方法，工艺流程简单，操作方便。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将赤磷加入去离子水中后置于水热反应釜中进行水热反应，而后冷确至室温，接着进行鼓风烘干，并在玛瑙研钵中研磨，得到红磷粉末；
步骤2，将钛碳化铝加入氢氟酸中进行刻蚀，而后分别采用去离子水和乙醇进行离心洗涤至pH值呈中性，并进行真空干燥，得到Mxene纳米片；
步骤3，将所述红磷粉末与所述Mxene纳米片混合均匀后，在氩气氛围下进行高能球磨，得到红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂，
所述步骤3中，红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂中的红磷/黑磷异质结纳米片与Mxene纳米片的质量比为8～12：95～105，且所述红磷/黑磷异质结纳米片负载于所述Mxene纳米片表面。
2.根据权利要求1所述的红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂的制备方法，其特征在于：
其中，所述步骤1中，赤磷的纯度为99.999％，质量为0.9g～1g，
去离子水的体积为28mL～32mL，
水热反应的温度为170～190℃，时间为20h～24h，
鼓风烘干的温度为45～55℃，
研磨的时间为25min～35min。
3.根据权利要求1所述的红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂的制备方法，其特征在于：
其中，所述步骤2中，钛碳化铝的质量为0.9g～1.1g，
氢氟酸的浓度为40％，体积为20mL，
刻蚀时采用磁力搅拌，且时间为45h～55h，磁力搅拌速度为450～550转/min，
采用去离子水进行离心的离心速度为4800～5200转/min，离心时间为5min～10min，离心3次，
采用乙醇进行离心的离心速度为8000～10000转/min，离心时间为5min～10min。
4.根据权利要求1所述的红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂的制备方法，其特征在于：
其中，所述步骤3中，红磷粉末和Mxene纳米片的质量和与球磨珠的质量比为0.8～1.2:27～33，
球磨珠为大球磨珠、中球磨珠、小球磨珠的混合，其个数比为3:3:4。
5.根据权利要求1所述的红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂的制备方法，其特征在于：
其中，所述步骤3中，球磨的温度为10～30℃，球磨时间为48h，球磨的转速为480～520rpm。
6.一种红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂，用于电解水产氢，由权利要求1～5中任一项所述的红磷/黑磷异质结-Mxene纳米电催化剂的制备方法制备得到。
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-
2020
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|---|
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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