CN113042078A - 一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有磺酸基官能团的MXene材料的制备方法,其过程为:MAX相材料先经氢氟酸蚀刻后,得到具备手风琴结构的二维层状MXene材料;二维层状MXene材料再经具有磺酸基阴离子的离子液体进行改性,使其手风琴结构进一步被剥离形成少层结构,且离子液体的阴离子基团迁移结合到二维层状MXene材料表面,即得具有磺酸基基团的改性MXene材料。使用本发明制备的带有磺酸基阴离子的Pd/V2C催化剂催化苯乙炔加氢反应时具有很高的催化活性和催化剂稳定性,催化剂在循环使用6次时依然具有很高的催化活性。本发明的具有磺酸基团的MXene材料的制备方法,具有方法简单、反应安全、磺酸基团稳定性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域,具体涉及一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法。
背景技术
MXene作为一种新型的二维碳材料,拥有优秀的导电性、亲水性、高比表面积、可调节的表面官能团,已经成为了负载贵金属的载体的有力候选材料,其被大量应用在电催化领域和光催化领域,MXene中的金属还可以与负载金属发生相互作用,可以修饰贵金属的电子结构,与其有很好的互补性。但是仍然有其弱点,MXene在空气中容易被氧化,丢失其活性位,导致催化剂活性降低,因此在保存时通常需要将其溶解在去离子水中,并通入氮气保存。而且MXene表面带有一F、-OH、=O等官能团,是制备复合材料的理想相。
目前,MXene已经多达20多种,制备方法也从传统的氢氟酸蚀刻法(AdvancedMaterials,2011,23(37):4248_4253)发展到了盐酸和氟化物盐混合溶液蚀刻法(AdvancedElectronic Materials, 2016, 2(12): 1600255)、熔融盐蚀刻法(Nano- scale, 2016, 8(22): 11385-11391)。但是这些制备方法得到的MXene依然存在着不稳定、应用范围小的缺点,同时部分制备方法条件苛刻,容易破坏MXene的二维层状结构。
离子液体(IonicLiquid)是由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的在室温下呈液态的有机盐,作为一种新型的极性溶剂,几乎没有蒸汽压、不可燃性、非挥发性、良好的化学稳定性和热稳定性、可循环利用及对环境友好,故称之为“绿色”化学溶剂,离子液体自发现以来,其应用于发展逐渐走向多元化,尤其是功能化离子液体的概念的提出。功能化离子液体的基团可以通过化学方法引入到载体骨架或载体表面上,可以进一步调控载体或者活性金属的性质,使其具有不同于仅含简单活性金属的负载型催化剂。目前已有使用离子液体对活性炭进行改性,提高其对芳香烃的吸附能力(ENVIRONMENTAL PROTECTION OFCHEMICAL INDUSTRY,1006-1878.2020.02.013)、以及利用离子液体对无定型硅胶改性用于催化加氢反应(Chemical Communications,2005,36(43):2942-2944.)的研究,但是受限于这类载体的较为单一的物理化学性质,这类改性材料用于有机芳香烃的吸附性、催化加氢的选择性都有待提高。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题,本发明的目的在于提供一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法。
所述的一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法,其特征在于MAX相材料先经氢氟酸蚀刻后,得到具备手风琴结构的二维层状MXene材料;二维层状MXene材料再经具有磺酸基阴离子的离子液体进行改性,使其手风琴结构进一步被剥离形成少层结构,且离子液体的阴离子基团迁移结合到二维层状MXene材料表面,即得具有磺酸基基团的改性MXene材料。
所述的一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法,其特征在于所述MAX相材料为MAX碳化钒铝或MAX碳化钛铝。
所述的一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法,其特征在于所述MAX相材料为MAX碳化钒铝,制备改性MXene材料的具体步骤如下:
1)将MAX碳化钒铝浸没在质量浓度30-50%的氢氟酸溶液中,在20-80℃温度下蚀刻反应12~48h,MAX碳化钒铝经过蚀刻反应转化为多层碳化钒产物;然后将反应产物置于超声环境下超声10~60 min,再进行抽滤,所得固体经去离子水洗涤,以便去除蚀刻掉的铝以及未反应完全的氢氟酸,干燥即得二维层状MXene碳化钒;
2)将步骤1)所得二维层状MXene浸没在插层剂中,然后在室温下插层6~48 h;插层结束后离心分离MXene与插层剂,所得MXene固体经去离子水洗涤2-4次以去除残留的插层剂,将得到的MXene分散在去离子水中,通入氮气密封保存,制得MXene的悬浮液;
3)向步骤2)所得MXene的悬浮液中加入具有磺酸基阴离子的离子液体,在30-40℃温度下搅拌反应20-40min,即反应生成具有磺酸基基团的改性MXene材料。
所述的一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法,其特征在于步骤1)中,MAX碳化钒铝的质量与氢氟酸溶液的体积之比是1 : 30~80,质量的单位是g,体积的单位是mL。
所述的一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法,其特征在于步骤2)中,插层剂为二甲基亚砜或四丁基氢氧化铵。
所述的一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法,其特征在于步骤3)中,所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑甲烷磺酸盐、1-丁基-3甲基咪唑双氰胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐或氯化胆碱,优选为1-乙基-3-甲基咪唑甲烷磺酸盐;步骤1)投料的MAX碳化钒铝的质量与步骤3)投料的离子液体的体积之比是1:1~10,优选为1:2~8,质量的单位是g,体积的单位是mL。
所述的一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法,其特征在于还包括贵金属粒子的负载步骤,具体过程如下:步骤3)反应结束后,直接在反应后混合液中加入含贵金属前驱体的水溶液,在35-85℃温度下反应4~10小时,然后将产物进行抽滤,在60-70℃温度下干燥4-12h,即得离子液体改性的贵金属多相催化剂。
所述的一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法,其特征在于所述贵金属前驱体为PdCl2,贵金属多相催化剂上负载的贵金属粒子为Pd,所述贵金属粒子的粒径为1~50nm,优选为1~15nm。
由于上述技术方案的运用,本发明与现有技术相比具有以下优势:
1、本发明以碳化钒铝前驱体和氢氟酸、离子液体为原料,经蚀刻、负载生成了具有磺酸基官能团的MXene材料。与普通的MXene相比,本发明的具有磺酸基团的MXene材料的制备方法,具有方法简单、反应安全、磺酸基团稳定性好等优点。
2、本发明的具有有磺酸基官能团的MXene材料的制备过程中,氢氟酸和碳化钒铝混合均匀后,在温和的温度下加热搅拌,通过这种方式可以使碳化钒铝中的铝在蚀刻时不会对整个MXene的层状结构造成破坏,而离子液体在与MXene的接触过程中,离子液体的阴离子基团会迁移到MXene的表面上,形成具有磺酸基团的MXene。
附图说明
图1为实施例1所得未经离子液体改性的MXene材料的SEM图;
图2为实施例1所得未经离子液体改性的MXene材料的EDS图;
图3为实施例1所得未经离子液体改性的MXene材料的FTIR图;
图4为实施例1所得未经离子液体改性的MXene材料的TEM图;
图5为实施例5所得经过离子液体改性的MXene材料的SEM图;
图6为实施例5所得经过离子液体改性的MXene材料的FTIR图;
图7为实施例5所得经过离子液体改性的MXene材料的TEM图;
图8为实施例1的催化剂与实施例5的催化剂在应用于苯乙炔催化加氢反应时,两者催化剂重复使用时苯乙炔的转化率反应结果对比图;
图9为实施例5的催化剂用于催化苯乙炔加氢制备苯乙烯的反应时,催化剂重复使用时苯乙炔的转化率及苯乙烯的选择性结果图;
图10为实施例1-8的催化剂在应用于苯乙炔催化加氢反应时,催化剂分别进行重复使用6次时苯乙炔的转化率反应结果对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1 基于V MXene负载Pd的多相催化剂
催化剂的制备方法包括以下步骤:
1)在100 mL聚四氟乙烯釜中加入1 g V MAX(即MAX碳化钒铝)和30 mL质量浓度为40%的HF酸溶液,在40℃温度下搅拌48 h,随后在100 W功率的超声环境下超声处理1 h,再进行抽滤,所得固体经去离子水洗涤2-4次,再于60 ℃的真空下干燥12 h。
2)将步骤1)所得固体加入到20 mL二甲基亚砜中,在室温下插层12 h,这种方法得到的固体就是具有二维层状结构的V MXene载体。插层结束后离心分离,所得固体经去离子水洗涤2-4次,将得到的V MXene载体分散在250 mL去离子水中,通入氮气密封保存,制得悬浮液;
3)移取步骤2)所得悬浮液50 mL并加入到100 mL圆底烧瓶中,加入1.5 mL预先配置好的PdCl2水溶液(PdCl2水溶液的浓度为1mg/mL),通入氮气5 min后,在35 ℃的条件下搅拌反应10 h,通过MXene的自还原性质将Pd2+还原成0价态的Pd,然后抽滤,滤渣水洗2-4次,60 ℃真空干燥12 h后得到V MXene负载的Pd催化剂,将其标记为Pd/V MXene。
实施例1所得Pd/V MXene的SEM图、EDS图、FTIR图和TEM图分别如图1、图2、图3和图4所示。
实施例2 基于Ti MXene负载Pd的多相催化剂
催化剂的制备方法包括以下步骤:
1)100 mL聚四氟乙烯釜中加入1 g Ti3AlC2和30 mL质量浓度为40%的HF酸溶液,在40 ℃温度下搅拌48 h,随后在100 W功率的超声环境下超声处理1 h,再进行抽滤,所得固体经去离子水洗涤2-4次,再于60 ℃的真空下干燥12 h。
2)将步骤1)所得固体加入到20 mL二甲基亚砜中,在室温下插层12 h,这种方法得到的固体就是具有二维层状结构的Ti MXene载体。插层结束后离心分离,所得固体经去离子水洗涤2-4次,将得到的Ti MXene载体分散在250 mL去离子水中,通入氮气密封保存,制得悬浮液;
3)移取步骤2)所得悬浮液50 mL并加入到100 mL圆底烧瓶中,加入1.5 mL预先配置好的PdCl2水溶液(PdCl2水溶液的浓度为1 mg/mL),通入氮气5 min后,在35 ℃的条件下搅拌反应10 h,通过MXene的自还原性质将Pd2+还原成0价态的Pd,然后抽滤,滤渣水洗2-4次,60 ℃真空干燥12 h后得到Ti MXene负载的Pd催化剂,将其标记为Pd/Ti MXene。
实施例3 基于V MXene负载Pd的多相催化剂
催化剂的制备方法包括以下步骤:
1)在100 mL聚四氟乙烯釜中加入1g V MAX和30 mL质量浓度为40%的HF酸溶液,在40 ℃温度下搅拌48 h,随后在100 W功率的超声环境下超声处理1 h,再进行抽滤,所得固体经去离子水洗涤2-4次,再于60 ℃的真空下干燥12 h。
2)将步骤1)所得固体加入到20 mL 四丁基氢氧化铵中,在室温下插层12 h,这种方法得到的固体就是具有二维层状结构的V MXene载体。插层结束后离心分离,所得固体经去离子水洗涤2-4次,将得到的V MXene载体分散在250 mL去离子水中,通入氮气密封保存,制得悬浮液;
3)移取步骤2)所得悬浮液50 mL并加入到100 mL圆底烧瓶中,加入1.5 mL预先配置好的PdCl2水溶液(PdCl2水溶液的浓度为1 mg/mL),通入氮气5 min后,在35℃的条件下搅拌反应10 h,通过MXene的自还原性质将Pd2+还原成0价态的Pd,然后抽滤,滤渣水洗2-4次,60 ℃真空干燥12 h后得到V MXene负载的Pd催化剂。
实施例4 基于V MXene负载Pd的多相催化剂
催化剂的制备方法包括以下步骤:
1)在100 mL聚四氟乙烯釜中加入1.5g V MAX和40 mL质量浓度为40%的HF酸溶液,在25℃温度下搅拌48h,随后在100 W功率的超声环境下超声处理30 min,再进行抽滤,所得固体经去离子水洗涤2-4次,再于60 ℃的真空下干燥12 h。
2)将步骤1)所得固体加入到20 mL二甲基亚砜中,在室温下插层24 h,这种方法得到的固体就是具有二维层状结构的V MXene载体。插层结束后离心分离,所得固体经去离子水洗涤2-4次,将得到的V MXene载体分散在250 mL去离子水中,通入氮气密封保存,制得悬浮液;
3)移取步骤2)所得悬浮液50 mL并加入到100 mL圆底烧瓶中,加入1.5 mL预先配置好的PdCl2水溶液(PdCl2水溶液的浓度为1 mg/mL),通入氮气5 min后,在35 ℃的条件下搅拌反应4 h,通过MXene的自还原性质将Pd2+还原成0价态的Pd,然后抽滤,滤渣水洗2-4次,60 ℃真空干燥12 h后得到V MXene负载的Pd催化剂。
实施例5 基于1-乙基-3-甲基咪唑甲烷磺酸离子液体改性V MXene负载Pd的多相催化剂
催化剂的制备方法包括以下步骤:
1)在100 mL聚四氟乙烯釜中加入1.5 g V MAX和40 mL质量浓度为40%的HF酸溶液,在25 ℃温度下搅拌48 h,随后在100W功率的超声环境下超声处理30 min,再进行抽滤,所得固体经去离子水洗涤2-4次,再于60 ℃的真空下干燥12 h。
2)将步骤1)所得固体加入到20 mL二甲基亚砜中,在室温下插层24 h,这种方法得到的固体就是具有二维层状结构的V MXene载体。插层结束后离心分离,所得固体经去离子水洗涤2-4次,将得到的V MXene载体分散在250 mL去离子水中,通入氮气密封保存,制得悬浮液;
3)移取步骤2)所得悬浮液50 mL并加入到100 mL圆底烧瓶中,加入2.5 mL的1-乙基-3-甲基咪唑甲烷磺酸,在35℃下搅拌反应30 min,随后加入1.5 mL预先配置好的PdCl2水溶液(PdCl2水溶液的浓度为1 mg/mL),通入氮气5 min后,在35 ℃的条件下搅拌反应4h,通过MXene的自还原性质将Pd2+还原成0价态的Pd,然后抽滤,滤渣水洗2-4次,60 ℃真空干燥12 h后得到离子液体改性的V MXene负载的Pd催化剂,将其标记为Pd/磺酸盐@VMXene。
实施例5所得Pd/磺酸盐@V MXene的SEM图、FTIR图和TEM图分别如图5、图6和图7所示。
从图1至图7可以看出,带有磺酸基官能团的离子液体的加入对MXene的形貌以及表面性质都具有很大的影响,图1体现了未经带有磺酸基官能团的离子液体处理的V2CMXene,具有典型的手风琴结构。图2的SEM-Mapping元素分布图也表明在MXene上存在着-O、-OH等含氧官能团。图3的FI-IR红外谱图表明在未经带有磺酸基官能团的离子液体处理的V2C MXene不具备磺酸基的特征峰。图4与图7表明Pd在V2C和经离子液体处理的V2C上都可以均匀分布,其平均粒径分别为6.7 nm和5.2 nm,带有磺酸基官能团的离子液体对Pd的分布有一定的促进作用,会减小Pd的粒径,提高Pd的分散程度。图5表明带有磺酸基的离子液体负载到V2C上后,手风琴结构会被破坏,剥离成更薄的薄片。图6的FI-IR红外谱图表明,在1400-1500cm-1出现了磺酸基的吸收峰,表明磺酸基确实插入到了V2C中。
实施例6 基于1-丁基-3甲基咪唑双氰胺盐离子液体改性V MXene负载Pd的多相催化剂
催化剂的制备方法包括以下步骤:
1)在100 mL聚四氟乙烯釜中加入1.5g V MAX和40 mL质量浓度为40%的HF酸溶液,在25℃温度下搅拌48 h,随后在100W功率的超声环境下超声处理30 min,再进行抽滤,所得固体经去离子水洗涤2-3次,再于60℃的真空下干燥12 h。
2)将步骤1)所得固体加入到20 mL二甲基亚砜中,在室温下插层24 h,这种方法得到的固体就是具有二维层状结构的V MXene载体。插层结束后离心分离,所得固体经去离子水洗涤2-4次,将得到的V MXene载体分散在250mL去离子水中,通入氮气密封保存,制得悬浮液;
3)移取步骤2)所得悬浮液50 mL并加入到100 mL圆底烧瓶中,加入2.5 mL的1-丁基-3甲基咪唑双氰胺,在35℃下搅拌反应30 min,随后加入1.5 mL预先配置好的PdCl2水溶液(PdCl2水溶液的浓度为1 mg/mL),通入氮气5 min后,在35 ℃的条件下搅拌反应4 h,通过MXene的自还原性质将Pd2+还原成0价态的Pd,然后抽滤,滤渣水洗2-4次,60 ℃真空干燥12 h后得到离子液体改性的V MXene负载的Pd催化剂,将其标记为Pd/氰胺盐@V MXene。
实施例7 基于氯化胆碱离子液体改性V MXene负载Pd的多相催化剂
催化剂的制备方法包括以下步骤:
1)在100 mL聚四氟乙烯釜中加入1.5g V MAX和40 mL质量浓度为40%的HF酸溶液,在25℃温度下搅拌48 h,随后在100W功率的超声环境下超声处理30 min,再进行抽滤,所得固体经去离子水洗涤2-3次,再于60℃的真空下干燥12 h。
2)将步骤1)所得固体加入到20 mL二甲基亚砜中,在室温下插层24 h,这种方法得到的固体就是具有二维层状结构的V MXene载体。插层结束后离心分离,所得固体经去离子水洗涤2-4次,将得到的V MXene载体分散在250 mL去离子水中,通入氮气密封保存,制得悬浮液;
3)移取步骤2)所得悬浮液50 mL并加入到100mL圆底烧瓶中,加入2.5 mL氯化胆碱,在35℃下搅拌反应30 min,随后加入1.5 mL预先配置好的PdCl2水溶液(PdCl2水溶液的浓度为1 mg/mL),通入氮气5 min后,在35℃的条件下搅拌反应4 h,通过MXene的自还原性质将Pd2+还原成0价态的Pd,然后抽滤,滤渣水洗2-4次,60℃真空干燥12 h后得到离子液体改性的V MXene负载的Pd催化剂,将其标记为Pd/氯化胆碱@ V MXene。
实施例8 基于1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体改性V MXene负载Pd的多相催化剂
催化剂的制备方法包括以下步骤:
1)在100 mL聚四氟乙烯釜中加入1.5g V MAX和质量浓度为40%的HF酸溶液,在25℃温度下搅拌48 h,随后在100W功率的超声环境下超声处理30 min,再进行抽滤,所得固体经去离子水洗涤2-4次,再于60℃的真空下干燥12 h。
2)将步骤1)所得固体加入到20mL二甲基亚砜中,在室温下插层24 h,这种方法得到的固体就是具有二维层状结构的V MXene载体。插层结束后离心分离,所得固体经去离子水洗涤2-4次,将得到的Ti MXene载体分散在250mL去离子水中,通入氮气密封保存,制得悬浮液;
3)移取步骤2)所得悬浮液50mL并加入到100mL圆底烧瓶中,加入2.5 mL的1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐,在35℃下搅拌反应30 min,随后加入1.5 mL预先配置好的PdCl2水溶液(PdCl2水溶液的浓度为1 mg/mL),通入氮气5 min后,在35℃的条件下搅拌反应4 h,通过MXene的自还原性质将Pd2+还原成0价态的Pd,然后抽滤,滤渣水洗2-4次,60℃真空干燥12h后得到离子液体改性的V MXene负载的Pd催化剂,将其标记为Pd/硼酸盐@V MXene。
对实施例1-2、实施例5-8所制备的催化剂分别通过SEM-mapping分析,以测定不同催化剂中各元素占比的摩尔含量,测定结果如表1所示。
从表1中的测定结果,可以进一步看出离子液体的阴离子基团迁移到了MXene上。
实施例9 以实施例1制备的多相催化剂催化苯乙炔加氢制备苯乙烯
将220μL的苯乙炔、10 mg实施例1制备的多相催化剂和5 mL的乙醇加入到50 mL的不锈钢高压釜中后,不锈钢高压釜中内用氢气充排气3次之后(即通过氢气对不锈钢高压釜内的空气进行置换,排空不锈钢高压釜内的空气,以下实施例等同),充氢气至0.1 MPa并密封,于25 ℃水浴加热,磁力搅拌,进行选择性加氢反应,反应0.5 h。停止反应后将不锈钢高压釜中残余的氢气小心排出,取出反应液。采用离心的方法将多相催化剂和反应液分离,反应液用气相色谱检测。将分离后的催化剂使用乙醇冲洗3次,然后在60℃下真空干燥4 h,称重回收。将回收的催化剂继续重复用于下一次催化苯乙炔加氢制备苯乙烯的反应,反应步骤重复上述操作过程,如此将回收的固体循环使用作为催化剂,进行催化反应,催化剂重复使用时苯乙炔的转化率反应结果如图8中所示。
实施例10 以实施例5制备的多相催化剂催化苯乙炔加氢制备苯乙烯
将220 μL的苯乙炔、10 mg实施例5制备的多相催化剂和5 mL的乙醇加入到50 mL的不锈钢高压釜中后,不锈钢高压釜中内用氢气充排气3次之后(即通过氢气对不锈钢高压釜内的空气进行置换,排空不锈钢高压釜内的空气,以下实施例等同),充氢气至0.1 MPa并密封,于25 ℃水浴加热,磁力搅拌,进行选择性加氢反应,反应0.5 h。停止反应后将不锈钢高压釜中残余的氢气小心排出,取出反应液。采用离心的方法将多相催化剂和反应液分离,反应液用气相色谱检测。将分离后的催化剂使用乙醇冲洗3次,然后在60℃下真空干燥4 h,称重回收。将回收的催化剂继续重复用于下一次催化苯乙炔加氢制备苯乙烯的反应,反应步骤重复上述操作过程,如此将回收的固体循环使用作为催化剂,进行催化反应,催化剂重复使用时苯乙炔的转化率反应结果如图8中所示。
实施例1的Pd/V MXene催化剂与实施例5的Pd/磺酸盐@V MXene催化剂,两者催化剂重复使用时苯乙炔的转化率反应结果汇总于图8中。从图8中可以看出,实施例5的Pd/磺酸盐@V MXene催化剂具有更好的使用稳定性。
其中,实施例5的Pd/磺酸盐@V MXene催化剂用于催化苯乙炔加氢制备苯乙烯的反应时,催化剂重复使用时苯乙炔的转化率及苯乙烯的选择性结果汇总于图9中。
实施例11 催化苯乙炔加氢制备苯乙烯
将220 μL的苯乙炔、10 mg催化剂和5 mL的乙醇加入到50 mL的不锈钢高压釜中后,不锈钢高压釜中内用氢气充排气3次之后(即通过氢气对不锈钢高压釜内的空气进行置换,排空不锈钢高压釜内的空气,以下实施例等同),充氢气至0.1 MPa并密封,于25℃水浴加热,磁力搅拌,进行选择性加氢反应,反应0.5 h。停止反应后将不锈钢高压釜中残余的氢气小心排出,取出反应液。采用离心的方法将催化剂和反应液分离,反应液用气相色谱检测反应结果。将分离后的催化剂使用乙醇冲洗3次,然后在60℃下真空干燥4 h,称重回收。将回收的催化剂继续重复用于下一次催化苯乙炔加氢制备苯乙烯的反应,反应步骤重复上述操作过程,如此将回收的固体循环使用作为催化剂,进行催化反应。
采用上述方法进行反应,当催化剂分别选用实施例1-8制备的催化剂时,催化剂重复使用第6次时,苯乙炔的转化率分别为19.3%、9.4%、16.7%、17.2%、78.2%、53.2%、41.6%、18.3%,结果如图10所示。
本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举,本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。
Claims (8)
1.一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法,其特征在于MAX相材料先经氢氟酸蚀刻后,得到具备手风琴结构的二维层状MXene材料;二维层状MXene材料再经具有磺酸基阴离子的离子液体进行改性,使其手风琴结构进一步被剥离形成少层结构,且离子液体的阴离子基团迁移结合到二维层状MXene材料表面,即得具有磺酸基基团的改性MXene材料。
2.如权利要求1所述的一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法,其特征在于所述MAX相材料为MAX碳化钒铝或MAX碳化钛铝。
3.如权利要求2所述的一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法,其特征在于所述MAX相材料为MAX碳化钒铝,制备改性MXene材料的具体步骤如下:
1)将MAX碳化钒铝浸没在质量浓度30-50%的氢氟酸溶液中,在20-80℃温度下蚀刻反应12~48h,MAX碳化钒铝经过蚀刻反应转化为多层碳化钒产物;然后将反应产物置于超声环境下超声10~60 min,再进行抽滤,所得固体经去离子水洗涤,以便去除蚀刻掉的铝以及未反应完全的氢氟酸,干燥即得二维层状MXene碳化钒;
2)将步骤1)所得二维层状MXene浸没在插层剂中,然后在室温下插层6~48 h;插层结束后离心分离MXene与插层剂,所得MXene固体经去离子水洗涤2-4次以去除残留的插层剂,将得到的MXene分散在去离子水中,通入氮气密封保存,制得MXene的悬浮液;
3)向步骤2)所得MXene的悬浮液中加入具有磺酸基阴离子的离子液体,在30-40 ℃温度下搅拌反应20-40 min,即反应生成具有磺酸基基团的改性MXene材料。
4.如权利要求3所述的一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法,其特征在于步骤1)中,MAX碳化钒铝的质量与氢氟酸溶液的体积之比是1 : 30~80,质量的单位是g,体积的单位是mL。
5.如权利要求3所述的一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法,其特征在于步骤2)中,插层剂为二甲基亚砜或四丁基氢氧化铵。
6.如权利要求3所述的一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法,其特征在于步骤3)中,所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑甲烷磺酸盐、1-丁基-3甲基咪唑双氰胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐或氯化胆碱,优选为1-乙基-3-甲基咪唑甲烷磺酸盐;步骤1)投料的MAX碳化钒铝的质量与步骤3)投料的离子液体的体积之比是1:1~10,优选为1:2~8,质量的单位是g,体积的单位是mL。
7.如权利要求3所述的一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法,其特征在于还包括贵金属粒子的负载步骤,具体过程如下:
步骤3)反应结束后,直接在反应后混合液中加入含贵金属前驱体的水溶液,在35-85℃温度下反应4~10小时,然后将产物进行抽滤,在60-70℃温度下干燥4-12h,即得离子液体改性的贵金属多相催化剂。
8.如权利要求7所述的一种具有磺酸基基团的改性MXene材料的制备方法,其特征在于所述贵金属前驱体为PdCl2,贵金属多相催化剂上负载的贵金属粒子为Pd,所述贵金属粒子的粒径为1~50nm,优选为1~15nm。
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