CN112191260B - 一种氮化碳纳米片-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氮化碳‑碳化钛‑石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，涉及电极催化剂领域，通过超声剥离氮化碳、碳化钛和氧化石墨烯，生成二维的单层或少层氮化碳纳米片、碳化钛纳米片和氧化石墨烯纳米片，再制备氮化碳纳米片、碳化钛纳米片和氧化石墨烯的混合溶液，按照特定的比例混合。采用水热法，使得碳化钛纳米片、氧化石墨烯纳米片和石墨化的‑氮化碳纳米片相互交迭，构筑出三维自支撑结构。复合电极催化剂独特的交联多孔网络优化了暴露的催化活性中心的数量，有利于电解质的充分浸润接触和电子传导，具有较大的比表面积，良好的循环稳定性，催化性能优异。
Description
技术领域
本发明涉及一种电极催化剂的制备方法，具体地，涉及一种氮化碳纳米片-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，能源需求也急剧增长。而煤、石油、天然气等传统能源储量有限，且环境污染问题日益严重。因此，国家大力倡导发展高效清洁的可再生能源。在各种能源载体中，氢(H2)燃料由于其高能量密度和天然丰度而引起了人们的极大兴趣。此外，考虑到燃烧产物只是水，促进氢的使用可以很大程度上减少温室气体和其他有毒气体的排放。电催化析氢反应(Hydrogen evolution reaction，简称HER)可以提供一种高效、清洁的途径来实现大规模的制氢，代表了环境友好型能量转换电化学制氢的发展趋势，而电极催化剂是HER的核心，对析氢速率有显著的影响。之前的商用电催化剂一般都是铂碳(Pt-C)电极，铂族金属及其衍生物作为常用的电催化剂表现出较高的催化效率，但是铂高昂的价格和稀缺的铂资源也极大地阻碍了其商业应用。开发高效低成本的新兴电催化剂引起了科学界的研究热潮。
近年来，二维(2D)过渡金属碳化物(MXenes)材料最近在储能和转换领域引起了大量的研究兴趣。与其他二维材料相比，Ti3C2Tx纳米片具有大的比表面积、高的电化学稳定性和良好的亲水性。而由于金属层状结构的性质，Ti3C2Tx纳米片的导电性显著增强。理论计算研究证实MXene纳米片表面修饰的氧能为其析氢反应提供了催化的活性位点。然而，由于范德华力的作用，剥离的Ti3C2Tx层在萃取过程中容易发生团聚，从而导致其活性点被掩盖，从而极大地降低了催化效率。因此，针对此问题需要采取有效的构筑策略，通过合理增加边缘位点或有意暴露活性中心来提供足够的高活性反应中心。基于上述优缺点，MXene纳米薄片结合其他性能优异的纳米碳材料构建三维交联网络，既能保持自身固有的结构特性，又能通过复合部分的协同效应优化性能。
目前，炭黑、石墨烯片、碳纳米管和碳纳米纤维作为催化剂载体被广泛应用。石墨烯纳米片已被证明有利于作为基体的导电性能，但由于表面缺乏活性位点，导致其在催化电极中的应用受到阻碍。不同的原子结合到碳结构中，影响了碳的电子结构和化学反应性能。研究表明，通过常规掺杂方法，将杂原子加入到石墨烯骨架中，杂原子的数量不能超过5.0at％。显然，二维石墨碳化钛(g-氮化碳)在大浓度的杂原子引入中显示出巨大的优势，作为催化剂提供了优越的N含量以促进系统的HER活性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种氮化碳纳米片-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种氮化碳-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，包括如下步骤：
分别制备石墨化的氮化碳纳米片分散液、碳化钛纳米片分散液和氧化石墨烯分散液；
将制备的石墨化的氮化碳纳米片分散液、碳化钛纳米片分散液和氧化石墨烯分散液经超声完全混合形成均匀的三元复合物混悬液；
将形成的三元复合物溶液经过水热反应，得到水凝胶状产物，然后，将得到的三维整体水凝胶用超纯水透析并冷冻干燥，从而得到氮化碳-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂。
进一步地，所述氮化碳纳米片分散液浓度为2mg/ml，所述碳化钛纳米片分散液浓度为2mg/ml，所述氧化石墨烯分散液浓度为2mg/ml。
进一步地，所述石墨化的氮化碳纳米片分散液、碳化钛纳米片分散液和氧化石墨烯混合时的质量比为1：9：10。
进一步地，混合溶液的超声条件为：超声时间为2h。
进一步地，所述三元复合物溶液的水热反应条件为：100℃反应12h。
进一步地，所述三维整体水凝胶用超纯水透析时间为3d，所述冷冻干燥时的温度为-180℃，干燥压力为1000Pa。
进一步地，制备所述氧化石墨烯纳米片分散液具体包括以下步骤：
采用改性悍马法，以石墨粉为原料，得到石墨氧化物；
将100mg石墨氧化物溶于50ml乙二醇溶液，超声处理1h，形成均匀的GO溶液。
进一步地，制备所述碳化钛纳米片具体包括以下步骤：
将1g LiF粉末加入20mL 9M HCl溶液中，置于烧杯中进行磁性搅拌0.5h；
将1g Ti3AlC2粉末缓慢加入到上层溶液中，在35℃磁搅拌36h进行刻蚀反应；将蚀刻后的产物离心，用去离子水反复搅拌，直到pH大于6；
在氩气保护下，对Ti3C2Tx悬浮液进行0.5h的超声处理，并在3500r pm下离心1h，真空干燥合成Ti3C2Tx纳米片。
进一步地，制备所述氮化碳纳米片分散液具体包括以下步骤：
将商用氮化碳粉末加入异丙醇溶液中，置于烧杯中超声处理1-10h，并在3000r pm下离心1h；
除去沉淀，得到淡黄色分散液，经干燥处理后得到氮化碳纳米片粉末；
将所得氮化碳纳米片粉末置于35％的浓硝酸中，在20-100℃下反应0.1-1h，经过水洗干燥，将所得的样品重新分散于乙二醇中，得到均匀的氮化碳纳米片分散液。
本发明所达到的有益效果：
1.本发明采用溶剂热自组装合成路线将g-氮化碳的层状结构与Ti3C2Tx、石墨烯纳米片作为建筑单元构建三维交织结构模型，改善了电子转移和电解质流动的电导率和孔隙率，提高了暴露的催化活性中心密度。由于组分间存在的协同效应，这种新型催化剂实现了对析氢反应(HER)的高效催化，进而推动其在生产和生活中的应用。
2.本发明二维纳米片组装构筑成三维结构，使纳米片层之间不堆积团聚而趋向于均匀分散，可有效增大活性位点，也使得电子的传输速率更高。将石墨烯、碳化钛和氮化碳复合，充分结合了二维纳米材料的高比表面积和高导电性，体现了多种材料的协同效应，有利于催化效率的提高。
3.本发明采用溶剂热法设计合成三维石墨烯水凝胶，其制备方法简单易操作，结构良好，性能优越，绿色环保，有利于规模化生产，具有较高的实用价值。
4.本发明提供的氮化碳纳米片-氮化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，制备性能优异的直接甲醇绕料电池阳极催化剂，有望获得高电流密度、长寿命的电池器件。应用本发明制备的氮化碳纳米片-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂在电解水析氢等领域具有较好的应用前景和经济效益。
附图说明
图1是本发明流程示意图；
图2是本发明实施例1的方法制备出的氮化碳纳米片-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的XPS图谱；
图3是本发明实施例1的方法制备出的氮化碳纳米片-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)照片；
图4是本发明实施例1的方法制备出的氮化碳纳米片-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的透射电子显微镜(TEM)照片；
图5是本发明实施例1的方法制备出的氮化碳纳米片-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂(MXene-C3N4-G)与氮化碳纳米片-石墨烯三维复合电极催化剂(C3N4-G)、碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂(MXene-G)、碳化钛纳米片(MXene)、氮化碳纳米片(C3N4)和石墨烯(G)材料对电催化产氢反应的(图A)线性扫描伏安及(图B)塔菲尔斜率对比曲线图；
图6是本发明实施例1的方法制备出的氮化碳纳米片-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的循环性能测试图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。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
MXene-C3N4-G三维复合电极催化剂的制备方法，包括以下步骤：
第一步：分别制备2mg/ml g-氮化碳纳米片分散液、2mg/ml碳化钛纳米片分散液和2mg/ml氧化石墨烯分散液；
第二步：将第一步中的g-氮化碳纳米片分散液(4mL)、碳化钛纳米片分散液(0.5mL)和氧化石墨烯(0.5mL)分散液经超声完全混合2h形成均匀的混悬液。
第三步：将第二步中的三元复合物溶液置于100℃下水热反应时间为12h，得到水凝胶状产物。然后，将得到的三维整体水凝胶用超纯水透析三天。然后，将得到的三维整体水凝胶用超纯水透析三天，-180℃冷冻干燥，干燥压力为1000Pa，以防止其聚集纳米片和保持多孔网络，从而得到g-氮化碳纳米片-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂。
进一步的，第一步中制备所述氧化石墨烯纳米片分散液具体包括以下步骤：
采用改性悍马法，以石墨粉为原料，得到石墨氧化物；
将100mg氧化石墨溶于50ml乙二醇溶液，超声处理1h，形成均匀的GO溶液(2mg/ml)。
第一步中制备所述碳化钛纳米片具体包括以下步骤：
将1g LiF粉末加入20mL 9M HCl溶液中，置于烧杯中进行磁性搅拌0.5h；
将1g Ti3AlC2粉末缓慢加入到上层溶液中，在35℃磁搅拌36h进行刻蚀反应。将蚀刻后的产物离心用去离子水反复搅拌，直到pH大于6；
在氩气保护下，对Ti3C2Tx悬浮液进行0.5h的超声处理，并在3500r pm下离心1h，真空干燥合成Ti3C2Tx纳米片。
第一步中制备所述氮化碳纳米片分散液具体包括以下步骤：
将商用氮化碳粉末加入异丙醇溶液中，置于烧杯中超声处理1-10h,并在3000r pm下离心1h；
除去沉淀,得到淡黄色分散液，经干燥处理后可得到氮化碳纳米片粉末；
将所得氮化碳纳米片粉末置于35％的浓硝酸中，在20-100℃下反应0.1-1h，经过水洗干燥，将所得的样品重新分散于乙二醇中，可得到均匀的氮化碳纳米片分散液。
对比例1
氮化碳-石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，包括以下步骤：
第一步：分别制备2mg/ml g-氮化碳纳米片分散液和2mg/ml氧化石墨烯分散液；
第二步：将第一步中的g-氮化碳纳米片分散液(4mL)和氧化石墨烯(1mL)分散液经超声完全混合2h形成均匀的混悬液。
第三步：将第二步中的二元复合物溶液置于100℃下水热反应时间为12h，得到水凝胶状产物。然后，将得到的三维整体水凝胶用超纯水透析三天。然后，将得到的三维整体水凝胶用超纯水透析三天，-180℃冷冻干燥，干燥压力为1000Pa，以防止其聚集纳米片和保持多孔网络，从而得到氮化碳纳米片-石墨烯三维复合电极催化剂。
进一步的，第一步中制备所述氧化石墨烯纳米片分散液具体包括以下步骤：
采用改性悍马法，以石墨粉为原料，得到石墨氧化物；
将100mg氧化石墨溶于50ml乙二醇溶液，超声处理1h，形成均匀的GO溶液(2mg/ml)。
第一步中制备所述氮化碳纳米片分散液具体包括以下步骤：
将商用氮化碳粉末加入异丙醇溶液中，置于烧杯中超声处理1-10h,并在3000r pm下离心1h；
除去沉淀,得到淡黄色分散液，经干燥处理后可得到氮化碳纳米片粉末；
将所得氮化碳纳米片粉末置于35％的浓硝酸中，在20-100℃下反应0.1-1h，经过水洗干燥，将所得的样品重新分散于乙二醇中，可得到均匀的氮化碳纳米片分散液。
对比例2
碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，包括以下步骤：
第一步：分别制备2mg/ml碳化钛纳米片分散液和2mg/ml氧化石墨烯分散液；
第二步：将第一步中的碳化钛纳米片分散液(2.5mL)和氧化石墨烯(2.5mL)分散液经超声完全混合2h形成均匀的混悬液。
第三步：将第二步中的二元复合物溶液置于100℃下水热反应时间为12h，得到水凝胶状产物。然后，将得到的三维整体水凝胶用超纯水透析三天。然后，将得到的三维整体水凝胶用超纯水透析三天，-180℃冷冻干燥，干燥压力为1000Pa，以防止其聚集纳米片和保持多孔网络，从而得到碳化钛纳米片-石墨烯三维复合电极催化剂。
进一步的，第一步中制备所述氧化石墨烯纳米片分散液具体包括以下步骤：
采用改性悍马法，以石墨粉为原料，得到石墨氧化物；
将100mg氧化石墨溶于50ml乙二醇溶液，超声处理1h，形成均匀的GO溶液(2mg/ml)。
第一步中制备所述碳化钛纳米片具体包括以下步骤：
将1g LiF粉末加入20mL 9M HCl溶液中，置于烧杯中进行磁性搅拌0.5h；
将1g Ti3AlC2粉末缓慢加入到上层溶液中，在35℃磁搅拌36h进行刻蚀反应。将蚀刻后的产物离心用去离子水反复搅拌，直到pH大于6；
在氩气保护下，对Ti3C2Tx悬浮液进行0.5h的超声处理，并在3500r pm下离心1h，真空干燥合成Ti3C2Tx纳米片。
对比例3
用2mg/ml石墨烯纳米片分散液作为对比样，其余步骤与实施例1相同。
对比例4
用2mg/ml氮化碳纳米片分散液作为对比样，其余步骤与实施例1相同。
对比例5
用2mg/ml碳化钛纳米片分散液作为对比样，其余步骤与实施例1相同。
应用例性能表征
以实施例1的方法制备出的氮化碳纳米片-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂为例进行性能表征。
1)X-射线光电子能谱(XPS)
图2为采用实施例1的方法制备出的氮化碳纳米片-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的X-射线光电子能谱，即XPS图谱，从图中可以清楚地看到样品的详细元素组成和化学状态。如图2D所示，XPS测量光谱揭示了氮化碳-碳化钛-石墨烯气凝胶结构包含Ti、C、O和N作为主要元素。C1s光谱由八个峰组成分别为C-Ti-TX、C3、C-C、CHX/C-O和C-N、C-OH、C2、C＝O，能量为281.2、284.1、284.5、285.4、286.2、287和288.5eV(图2A)。N1s光谱由三个峰组成，分别为较低结合能的sp2c＝N，能量为399eV的N-(C)3和能量为400.6eV的amino N。此外，Ti2p光谱证明在MXene-氮化碳-G结构中存在Ti-O2-XFX、C-Ti-TX和Ti-O2基团(图2C)。
2)显微镜分析
图3为氮化碳纳米片-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的场发射扫描电子显微镜图。图中可以看出，该催化剂具有很明显的三维多孔网络结构，孔洞尺寸分布范围为几百纳米至十几微米之间。此外，超薄的氮化碳纳米片、碳化钛纳米片和石墨烯纳米片相互交迭，构筑出独特的交联多孔网络，优化了暴露的催化活性中心的数量，有利于电解质的流动和电子转移。
图4为氮化碳纳米片-碳化钛纳米片-石墨烯三维复合电极催化剂的透射电子显微镜图。可以看到，二维薄片氮化碳纳米片、碳化钛纳米片及石墨烯纳米片三者之间形成了有效的相互连结，避免了二维纳米材料的堆叠和团聚，构筑出性能优良的三维复合电极催化剂。
以上结果说明本发明的氮化碳纳米片-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的三维多孔网络骨架，很好的克服了传统纳米片层材料的堆叠及团聚问题。各组分形成良好的分散，比表面积大，催化活性位点数量多，使得样品的催化活性和电化学活性良好，催化性能优异。
4)电化学析氢反应测试
对制得的催化剂样品进行了催化活性测试，具体方法如下：
样品的电化学测试均在CHI760E电化学工作站上进行，测试系统为标准的三电极体系，其中利用Pt丝作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，涂覆了三维复合催化材料、直径为3mm的玻碳电极作为工作电极。工作电极的制备流程为：称取2mg三维复合催化材料分散于混合溶液(475μL的去离子水、475μL的乙醇和50μL 5％Nafion 117)中，超声处理30min。在预处理后的玻碳电极的表面滴加5μL上述催化剂样品，在测试前在室温下干燥。催化剂对电催化产氢反应的催化活性及循环稳定性是通过线性扫描伏安法测得的，在0.5MH2SO4水溶液中测试氢沉淀性能，并在2mV·s-1的电位扫描速率下收集极化曲线。室温下，在-0.258～-0.338V(VS RHE)的电位下进行2000次循环，扫描速率为10mV·s-1。在0.5MH2SO4水溶液中测试氢沉淀性能，并在2mV·s-1的电位扫描速率下收集极化曲线。在0.5MH2SO4中进行耐久性试验，用10mV S-1(VS RHE)进行2000次循环，用计时安培技术在4000s监测电流-PME响应。
从图5A中可以看出，氮化碳纳米片-碳化钛纳米片-石墨烯三维复合电极催化剂反应起始电位最低、电流密度最高，说明具有良好的催化耐久性；从图5B中可以看出，氮化碳纳米片-碳化钛纳米片-石墨烯复合电极催化剂的塔菲尔(Tafel)斜率最小，说明该催化剂的催化活性最好。同时，如图6所示，经过2000次循环测试后，催化剂的活性几乎没有衰减，说明其具有优异的循环稳定性。
此外，对采用实施例1和对比例1-5的方法制备出的三维复合电极催化剂进行产氢催化活性检测，结果如表1。
表1.实施例1和对比例1-5制得催化剂对产氢反应的性能指标
由表1可知，采用实施例1的方法制备催化剂，均具有低的过电位、低Tafel斜率和大的交换电流密度，催化活性高。与实施例1相比，对比例1中氮化碳纳米片-石墨烯三维复合电极催化剂和对比例2中碳化钛纳米片-石墨烯三维复合电极催化剂Tafel斜率高，催化剂的性能低。与对比例1和对比例2相比，对比例3中的氧化石墨烯催化剂、对比例4中的g-氮化碳催化剂和对比例5中的碳化钛催化剂Tafel斜率进一步高，催化剂的性能显著降低。氮化碳和碳化钛的适量添加，有利于综合发挥两者的催化性能，产生协同效应，提高样品的催化活性和催化稳定性。
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 (8)
1.一种氮化碳-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
分别制备石墨化的氮化碳纳米片分散液、碳化钛纳米片分散液和氧化石墨烯分散液；
将制备的石墨化的氮化碳纳米片分散液、碳化钛纳米片分散液和氧化石墨烯分散液经超声完全混合形成均匀的三元复合物混悬液；所述石墨化的氮化碳纳米片分散液、碳化钛纳米片分散液和氧化石墨烯混合时的质量比为1：9：10；
将形成的三元复合物溶液经过水热反应，得到水凝胶状产物，然后，将得到的三维整体水凝胶用超纯水透析并冷冻干燥，从而得到氮化碳-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂。
2. 如权利要求1所述的氮化碳-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，其特征在于，所述氮化碳纳米片分散液浓度为2 mg/ml，所述碳化钛纳米片分散液浓度为2 mg/ml，所述氧化石墨烯分散液浓度为2 mg/ml。
3. 如权利要求1所述的氮化碳-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，其特征在于，混合溶液的超声条件为：超声时间为2 h。
4. 如权利要求1所述的氮化碳-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，其特征在于，所述三元复合物溶液的水热反应条件为：100℃反应12 h。
5. 如权利要求1所述的氮化碳-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，其特征在于，所述三维整体水凝胶用超纯水透析时间为3 d，所述冷冻干燥时的温度为-180°C，干燥压力为1000 Pa。
6.如权利要求1~5任一项所述的氮化碳-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，其特征在于，制备所述氧化石墨烯分散液具体包括以下步骤：
采用改性悍马法，以石墨粉为原料，得到石墨氧化物；
将100 mg石墨氧化物溶于50 ml乙二醇溶液，超声处理1 h，形成均匀的GO溶液。
7.如权利要求1~5任一项所述的氮化碳-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，其特征在于，制备所述碳化钛纳米片具体包括以下步骤：
将1 g LiF粉末加入20 mL 9 M HCl溶液中，置于烧杯中进行磁性搅拌0.5 h；
将1 g Ti3AlC2粉末缓慢加入到上层溶液中，在35°C磁搅拌36 h进行刻蚀反应；将蚀刻后的产物离心，用去离子水反复搅拌，直到pH大于6；
在氩气保护下，对Ti3C2Tx悬浮液进行0.5 h的超声处理，并在3500 r pm下离心1 h，真空干燥合成Ti3C2Tx纳米片。
8.如权利要求1~5任一项所述的氮化碳-碳化钛-石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，其特征在于，制备所述氮化碳纳米片分散液具体包括以下步骤：
将商用氮化碳粉末加入异丙醇溶液中，置于烧杯中超声处理1-10 h，并在3000 r pm下离心1 h；
除去沉淀，得到淡黄色分散液，经干燥处理后得到氮化碳纳米片粉末；
将所得氮化碳纳米片粉末置于35%的浓硝酸中，在20-100°C下反应0.1-1 h，经过水洗干燥，将所得的样品重新分散于乙二醇中，得到均匀的氮化碳纳米片分散液。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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