CN114042462B - 一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，包括以下步骤：称取一定量的硫源、银盐、铜盐和表面活性剂置于溶剂中，充分搅拌、超声；随后利用水热法或者溶剂热法合成三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜。本发明还公开了一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜。本发明提供的一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，利用低价的原材料、简单的一步水热法或者溶剂热法制备出三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜，可直接电催化反应中，避免了粘结剂的使用。并且，相较于传统的贵金属电催化剂，本发明得到的无基底的银铜双金属硫化物薄膜状催化剂价格低廉。

Description

一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料、能源领域，具体涉及一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜及其制备方法。
背景技术
随着化石能源的逐渐枯竭与环境污染问题的日益突出，对新的能量来源的需求日渐增长。氢作为一种清洁的能源载体备受关注，然而氢气的储存和运输问题制约了氢能的大规模开发利用。氨是一种理想的氢载体，其含氢质量分数高达17.65％(高于水的11.1％)，能量密度高达3000Wh kg-1，由氨分解所得的氢气中不含有导致燃料电池电极催化剂中毒的碳氧化物。氨气在常温加压条件下便可转化为液态，相比于氢气更易于储存和运输，且氨的合成、运输技术及其基础设施也更为成熟。
中国专利CN111039361A公开了一种能去除氨态氮和氨态氮的氧化副产物的电化学水处理装置，提及了电化学氨氧化技术在污水处理中的应用，它能够有效地分解水中所包含的氨态氮。该专利提及的电化学氨氧化技术可作为氨制氢气或者直接氨燃料电池的可行技术。在整个氨的综合利用系统中，电化学氨氧化反应是其重要的组成部分，然而，由于该反应涉及到六个电子转移，动力学反应速率慢是氨的电化学氧化反应面临的主要挑战。
中国专利CN102356043B公开了一种用于从氨有效产生氢气的氢气发生方法，并设计了用于从氨产生氢气的氢气发生装置，该装置包含具有氧化氨的氨氧化催化剂的氨氧化部位和具有分解氨以产生氮气和氢气的氨分解催化剂的氨分解部位。为了控制成本，提高催化剂的利用效能，氧化催化剂既包含贵金属催化剂又包含贱金属催化剂，且氧化部位上游部分中的贵金属催化剂装载浓度高于氧化部位下游部分中的贵金属催化剂装载浓度，和/或分解催化剂既包含贵金属催化剂又包含贱金属催化剂，且分解部位下游部分中的贵金属催化剂装载浓度高于分解部位上游部分中的贵金属催化剂装载浓度。然而，上述专利中涉及的贵金属铂(Pt)价格较高，阻止了该技术的大规模应用。
综上所述，低价、高效且稳定的非贵金属电化学氨氧化反应催化剂亟待开发。
发明内容
本发明的目的旨在针对现有技术的不足，提供一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜及其制备方法。本发明提供的一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，简单、高效、低成本、易于工业化；本发明提供的一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜，在电催化氨氧化反应中均表现出了优异的催化反应活性，是一种优秀的无基底的自支撑三维多孔的膜材料，并且在催化电解水、二氧化碳还原以及氧还原反应等多电子反应中也具有广阔的应用前景。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，在无基底的情况下实现了三维的泡沫结构以及独特的晶体结构，包括以下步骤：称取一定量的硫源、银盐、铜盐和表面活性剂置于溶剂中，充分搅拌、超声；随后利用水热法或者溶剂热法合成三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜。
本发明利用硫源、银盐、铜盐、表面活性剂作以及溶剂为原料，利用水热法或者溶剂热法合成三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜，所制备得到的膜材料具有一定的柔性和开放的孔结构，银与铜位点之间的协同作用有利于电化学催化氨气分解，并且在电解水、二氧化碳还原以及氧还原反应中也具有广阔的应用前景。
如上所述的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，所述硫源选自硫脲、硫代乙酰胺或者硫粉中的任意一种。
如上所述的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，所述银盐选自其硫酸盐、硝酸盐、氯化盐或者乙酸盐中的任意一种。
如上所述的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，所述铜盐选自其硫酸盐、硝酸盐、氯化盐、乙酸盐或者其水合物金属盐中的任意一种。
如上所述的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，所述银盐与铜盐的摩尔比为(1:10)～(10:1)。
如上所述的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，所述表面活性剂选自硬脂酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基硫酸钠或者十八烷基三甲基氯化铵中的任意一种。
如上所述的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，所述溶剂选自水、乙醇、甲醇、丙醇或者N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种。
如上所述的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，所述搅拌时间为0～100分钟，超声时间为0～300分钟。
如上所述的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，所述水热法或者溶剂热法的反应条件为：将硫源、银盐、铜盐、表面活性剂以及溶剂的混合溶液转移到聚四氟内衬的反应釜或者其他耐压容器中升温至100～200℃，反应1～72小时，随后冷却。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜，采用如上所述的制备方法制备而得。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用低价的原材料、简单的一步水热法或者溶剂热法制备出三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜，可直接电催化反应中，避免了粘结剂的使用。并且，相较于传统的贵金属电催化剂，本发明得到的无基底的银铜双金属硫化物薄膜状催化剂价格低廉。
2、本发明获得的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜，具有独特的表面结构，电催化氨氧化反应效果好，非常有利于氨氧化反应的推广及发展。
附图说明
图1是实施例1制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的X射线粉末衍射图谱(XRD)；
图2是实施例1制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的光学照片；
图3是实施例1制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的扫描电子显微镜(SEM)照片；
图4是实施例1制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的截面SEM照片；
图5为实施例1制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的X射线光电子能谱测试结果；
图6为实施例1制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的线性EDS扫描图；
图7为实施例1制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜催化电化学氨氧化反应的线性伏安扫描曲线图；
图8为实施例1制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜催化电化学氨氧化反应的稳定性测试；
图9为实施例1制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜催化电化学液氨氧化反应的线性伏安扫描曲线图；
图10为实施例1制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜催化电化学液氨氧化反应的稳定性测试。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，包括以下步骤：
1)称取一定量的硫源、银盐、铜盐和表面活性剂置于溶剂中，充分搅拌、超声；
2)将硫源、银盐、铜盐、表面活性剂以及溶剂的混合溶液转移到聚四氟内衬的反应釜或者其他耐压容器中升温至100～200℃，反应1～72小时，随后冷却，得到三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜。
本发明中，采用硫源、银盐、铜盐、表面活性剂作以及溶剂为原料，利用简单的水热法或者溶剂热法合成三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜。本发明中，硫源、银盐、铜盐分别为银铜双金属硫化物产物提供银、铜、硫的组分，表面活性剂为泡沫状自支撑薄膜结构的形成提供支持。本发明利用低价的原材料、简单的一步水热法或者溶剂热法制备出三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜，获得的膜材料不需要进一步的洗涤提纯，工艺简单，利于规模化生产。本发明中，对硫源、银盐、铜盐、表面活性剂以及溶剂并没有特殊限制，均为市售产品。本发明步骤1)中对超声的方法没有特殊限制，本领域技术人员公知的超声的方法即可。
优选的，所述硫源选自硫脲、硫代乙酰胺、硫粉以及其他可溶性硫源中的任意一种；更优选的，硫源选自硫脲或硫代乙酰胺；最优选的，硫源选自硫脲，获得的薄膜结构更好。
优选的，所述银盐选自其硫酸盐、硝酸盐、氯化盐或者乙酸盐中的任意一种，所述铜盐选自其硫酸盐、硝酸盐、氯化盐、乙酸盐或者其水合物金属盐中的任意一种；更优选的，银盐选自其硝酸盐或氯化盐，铜盐选自其硝酸盐、氯化盐或者其水合物金属盐；最优选的，银盐选自其氯化盐，铜盐选自其氯化亚盐。
优选的，所述银盐与铜盐的摩尔比为(1：10)～(10：1)；更优选的，银盐与铜盐的摩尔比为(2：5)～(5：1)；更优选的，银盐与铜盐摩尔比为(4：1)。最优选的，银盐、铜盐、硫源、表面活性剂的摩尔比为(4:1:24:2)。
优选的，所述表面活性剂选自硬脂酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基硫酸钠或者十八烷基三甲基氯化铵中的任意一种；更优选的，表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵或十八烷基三甲基氯化铵；最优选的，表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵。
优选的，所述溶剂选自水、乙醇、甲醇、丙醇或者N,N-二甲基甲酰胺中的的任意一种；更优选的，溶剂选自水或乙醇；最优选的，溶剂选自水。
优选的，所述将硫源、银盐、铜盐、表面活性剂置于溶剂中后的搅拌时间为0～100分钟，超声时间为0～300分钟；更优选的，搅拌时间为10～30分钟，超声时间为30～60分钟；最优选的，搅拌时间为30分钟，超声时间为60分钟。
优选的，所述水热法或者溶剂热法的反应条件为：将硫源、银盐、铜盐、表面活性剂以及溶剂的混合溶液转移到聚四氟内衬的反应釜或者其他耐压容器中，升温速率为1～40℃/min，升温至100～200℃，反应1～72小时，随后冷却；更优选的，升温速率为5～20℃/min，升温至170～200℃，反应5～48小时，随后冷却；最优选的，升温速率为10℃/min，升温至170℃，反应10小时，随后冷却。
本发明制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的物相通过X射线粉末衍射图确定，采用日本岛津XRD-6100粉末衍射仪。
本发明制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的形貌通过场发射扫描电子显微镜(SEM)照片，采用德国蔡司Gemini 500场发射扫描电子显微镜。
本发明制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜及元素分布通过透射电子显微镜(TEM)照片及EDS元素分布图，采用日本JEOL JEM2100F透射电子显微镜。
本发明制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的电催化性能通过上海辰华CHI660E电化学工作站测得。
为了进一步理解本申请，下面结合实施例对本发明提供的一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜及其制备方法进行具体的描述。
实施例1
一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，包括以下步骤：
称取0.286克氯化银、0.050克氯化亚铜、0.912克硫脲、0.364克十六烷基三甲基溴化铵加入55毫升水中搅拌30分钟，超声60分钟，后将获得的混合物转入具有聚四氟内衬的高压反应釜中，170℃反应10小时，随后冷却，即得三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜。
图1是本实施例制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的X射线粉末衍射图谱(XRD)，由图1可知，该实施例制备得到的薄膜为银铜双金属硫化物的物相。
图2是本实施例制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的光学照片，可以看出，该实施例制备得到的薄膜呈现出黑色薄膜状，并具有一定的柔性。
图3是本实施例制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的扫描电子显微镜(SEM)照片，图4是本实施例制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的截面SEM照片，从图3、图4可以看出，所得的薄膜呈现出泡沫状的连续骨架，薄膜整体厚度约0.14毫米，超薄的结构有利于催化过程中电解液的浸润。
图5是本实施例制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的X射线光电子能谱测试结果，显示出材料中的银和铜均为1价。
图6是本实施例制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的线性EDS扫描图，显示出银、铜、硫三种元素在材料的骨架上均匀分布。
电催化氨氧化性能测试：
在室温下，采用标准三电极系统，通过上海辰华CHI760E电化学工作站对该实施例制备得到的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜电催化氨氧化的催化活性进行分析评价。测试方法采用线性伏安扫描法，分析在0.5mol/L的氢氧化钠溶液或0.5mol/L的氢氧化钠和0.1mol/L的氨水的混合溶液中进行，扫描速度为10mV/s。
图7为本实施例制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜催化电化学氨氧化反应的线性伏安扫描曲线图，可以看出，所得的膜材料在0.5mol/L的氢氧化钠和0.1mol/L的氨水的混合溶液中的电流密度高于其在0.5mol/L的氢氧化钠溶液中的电流密度，显示出所得的膜材料具有催化氨氧化反应的活性。
图8为本实施例制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜催化电化学氨氧化反应的稳定性测试，可以看出，获得的材料的催化稳定性优异，稳定时间可长达10小时，催化性能高于商业铂片的性能。
电催化液氨氧化性能测试：
在室温下，采用两电极系统，通过上海辰华CHI760E电化学工作站对该实施例制备得到的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜电催化液氨氧化的催化活性进行分析评价。测试方法采用线性伏安扫描法，分析在包含氯化铵电解质的液氨中进行，扫描速度为10mV/s。
图9为本实施例制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜催化电化学液氨氧化反应的线性伏安扫描曲线图，可以看出，所得的膜材料在液氨的电解过程中的过电位为1.3V，显示出所得的膜材料具有优异的催化液氨氧化反应的活性。
图10为本实施例制备的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜催化电化学液氨氧化反应的稳定性测试，可以看出，获得的材料的催化稳定性优异，稳定时间可长达20小时。
实施例2
一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，包括以下步骤：
称取0.286克氯化银、0.050克氯化亚铜、0.900克硫代乙酰胺0.364克十六烷基三甲基溴化铵加入55毫升水中搅拌30分钟，超声60分钟，后将获得的混合物转入具有聚四氟内衬的高压反应釜中，170℃反应10小时，随后冷却，即得三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜。
实施例3
一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，包括以下步骤：
称取0.286克氯化银、0.050克氯化亚铜、0.912克硫脲、0.364克十六烷基三甲基溴化铵加入55毫升水中搅拌30分钟，超声60分钟，后将获得的混合物转入具有聚四氟内衬的高压反应釜中，200℃反应10小时，随后冷却，即得三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜。
实施例4
一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，包括以下步骤：
称取0.340克硝酸银、0.050克氯化亚铜、0.912克硫脲、0.364克十六烷基三甲基溴化铵加入55毫升水中搅拌30分钟，超声60分钟，后将获得的混合物转入具有聚四氟内衬的高压反应釜中，170℃反应10小时，随后冷却，即得三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜。
实施例5
一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，包括以下步骤：
称取0.286克氯化银、0.050克氯化亚铜、0.912克硫脲、0.364克十六烷基三甲基溴化铵加入55毫升水中搅拌30分钟，超声60分钟，后将获得的混合物转入具有聚四氟内衬的高压反应釜中，170℃反应5小时，随后冷却，即得三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜。
实施例6
一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，包括以下步骤：
称取0.286克氯化、0.050克氯化亚铜、0.912克硫脲、0.348克十八烷基三甲基氯化铵加入55毫升水中搅拌30分钟，超声60分钟，后将获得的混合物转入具有聚四氟内衬的高压反应釜中，170℃反应10小时，随后冷却，即得三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜。
实施例7
一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，包括以下步骤：
称取0.286克氯化银、0.085克二水氯化铜、0.912克硫脲、0.364克十六烷基三甲基溴化铵加入55毫升水中搅拌30分钟，超声60分钟，后将获得的混合物转入具有聚四氟内衬的高压反应釜中，170℃反应10小时，随后冷却，即得三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜。
实施例8
一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，包括以下步骤：
称取0.572克氯化银、0.050克氯化亚铜、0.912克硫脲、0.364克十六烷基三甲基溴化铵加入55毫升水中搅拌30分钟，超声60分钟，后将获得的混合物转入具有聚四氟内衬的高压反应釜中，170℃反应10小时，随后冷却，即得三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜。
实施例9
一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，包括以下步骤：
称取0.572克氯化银、0.100克氯化亚铜、0.912克硫脲、0.364克十六烷基三甲基溴化铵加入55毫升水中搅拌30分钟，超声60分钟，后将获得的混合物转入具有聚四氟内衬的高压反应釜中，170℃反应10小时，随后冷却，即得三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜。
实施例10
一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，包括以下步骤：
称取0.286克氯化银、0.050克氯化亚铜、0.912克硫脲、0.364克十六烷基三甲基溴化铵加入55毫升水中搅拌10分钟，超声30分钟，后将获得的混合物转入具有聚四氟内衬的高压反应釜中，170℃反应10小时，随后冷却，即得三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，其特征在于，步骤为：称取一定量的硫源、银盐、铜盐和表面活性剂置于溶剂中，充分搅拌、超声；随后利用水热法或者溶剂热法合成三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜。
2.根据权利要求1所述的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，其特征在于，所述硫源选自硫脲、硫代乙酰胺或者硫粉中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，其特征在于，所述银盐选自其硫酸盐、硝酸盐、氯化盐或者乙酸盐中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，其特征在于，所述铜盐选自其硫酸盐、硝酸盐、氯化盐、乙酸盐或者其水合物金属盐中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，其特征在于，所述银盐与铜盐的摩尔比为(1:10)～(10:1)。
6.根据权利要求1所述的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂选自硬脂酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基硫酸钠或者十八烷基三甲基氯化铵中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，其特征在于，所述溶剂选自水、乙醇、甲醇、丙醇或者N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，其特征在于，所述搅拌时间为0～100分钟，超声时间为0～300分钟。
9.根据权利要求1所述的三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜的制备方法，其特征在于，所述水热法或者溶剂热法的反应条件为：将硫源、银盐、铜盐、表面活性剂以及溶剂的混合溶液转移到聚四氟内衬的反应釜或者其他耐压容器中升温至100～200℃，反应1～72小时，随后冷却。
10.一种三维泡沫状银铜双金属硫化物自支撑薄膜，其特征在于，采用权利要求1～9任意一项所述的制备方法制备而得。
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