CN114196988B - 一种用于电解水析氧的双金属硫化物/MXene复合体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电解水析氧的双金属硫化物/MXene复合体的制备方法，属于非贵金属析氧催化剂的技术领域。本发明要解决碱性电解水析氧催化剂价格高、活性差、最大电流密度低及稳定性差等问题。本发明的复合材料由Ti3C2 MXene和镍铁双金属硫化物的纳米片组成。本发明方法：一、剥离Ti3AlC2得到Ti3C2 MXene；二、将硝酸镍、硝酸铁和尿素溶解在超纯水中，搅拌均匀，溶液为黄绿色；三、将Ti3C2 MXene溶液加入N‑甲基吡咯烷酮中，搅拌均匀，得到墨绿色溶液；四、将上述两种溶液混合回流洗涤冻干，得到镍铁双金属氢氧化物/Ti3C2 MXene复合物；五、高温硫化。本发明的硫化镍铁/Ti3C2 MXene材料具有高导电性、高化学稳定性和耐碱抗腐蚀的特点，表现出优异的碱性电解水大电流析氧活性。
Description
技术领域
本发明属于非贵金属析氧催化剂的技术领域；具体涉及一种用于电解水析氧的双金属硫化物/MXene复合体的制备方法。
背景技术
随着化石能源日益枯竭，人们对清洁能源的需求迫在眉睫，而氢气作为未来最有发展前景的清洁能源之一，在缓解愈发严重的能源危机以及过量碳排放污染等问题方面能够发挥重要作用。电催化分解水作为一种环保的生产高纯度氢气的方式，其过程涉及两个重要的反应，即阳极的析氧反应(OER)和阴极的析氢反应(HER)，其中析氧反应由于缓慢的动态过程而被广泛认为是限速步骤。传统贵金属基(Pt、Ir、Ru等)材料用于分解水析氧价格高昂而且稳定性不能达到理想效果，因此开发中廉价高效且稳定的析氧催化剂势在必行。大电流密度下的OER性能受反应动力学和传质控制。大电流密度下的快速催化反应会导致电解液的快速消耗和O2气泡的大量产生，这就需要立即供应电解液和快速排出气泡。以往的研究表明，具有开放框架的纳米阵列可以加速电解质渗透和O2气泡的扩散，从而保证大电流OER过程中的传质过程。
Ti3C2 MXene作为一种过渡金属碳化物，是二维纳米材料领域的最新成员之一，由于其理想的导电性、亲水性、阳离子可插层性，同时具有超薄片结构的高比表面积，能够作为耦合其他高活性OER材料的理想基材。
目前，过渡金属硫化物，由于其结构多样性而具有丰富的活性位点，已被广泛研究用于碱性OER。而双过渡金属催化材料在各类电催化反应中由于具有比单金属材料更多的活性位点、组分之间存在电子转移、优化了材料的电子结构，从而进一步提高了材料的电子传导和表面位点数目。但是，传统双过渡金属硫化物制备过程复杂并且难以保证高性能和高稳定性。
发明内容
本发明要解决目前碱性电解水大电流析氧催化剂价格高昂、稳定性差等问题；而提供了一种用于碱性大电流析氧的双过渡金属硫化物/MXene复合材料及其制备方法。
本发明降低碱性分解水制氢成本并提高其活性；具体是通过下述方案实现的：
一种用于电解水析氧的双金属硫化物/MXene复合体是由Ti3C2 MXene和纳米片组成，纳米片阵列有序地生长在Ti3C2 MXene上，纳米片是镍铁双金属硫化物组成的。
本发明中一种用于电解水析氧的双金属硫化物/MXene复合体的制备方法，其特征在于所述制备方法是通过下述步骤实现的：
步骤一、用浓盐酸、LiF和去离子水的混合溶液对Ti3AlC2 MAX进行刻蚀，然后用水醇溶液洗涤，再进行超声离心取上层悬浊液，即完成Ti3AlC2 MAX的剥离，得到Ti3C2 MXene；
步骤二、将镍盐、铁盐和尿素溶解在蒸馏水中，搅拌均匀，溶液颜色为黄绿色，形成镍铁氢氧化物中间体；
步骤三、将步骤一得到的Ti3C2 MXene溶液加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，搅拌均匀，溶液颜色为墨绿色，形成NMP-Ti3C2 MXene溶液；
步骤四、将步骤二得到的镍铁氢氧化物中间体和步骤三得到的NMP-Ti3C2MXene溶液搅拌均匀转移到三径烧瓶中，进行回流处理，离心洗涤多次，冻干，得到镍铁层状双金属氢氧化物/Ti3C2 MXene复合体；
步骤五、将步骤四得到的镍铁层状双金属氢氧化物/Ti3C2 MXene硫化处理，得到硫化镍铁/Ti3C2 MXene复合体。
进一步地限定，步骤一所述混合溶液中浓盐酸和去离子水的体积比为3:1，Ti3AlC2MAX和LiF质量比为1:(1～2)，浓盐酸摩尔浓度为12M，Ti3AlC2 MAX为(200～400)目。
进一步地限定，步骤一的剥离是将Ti3AlC2 MAX置于混合溶液中水浴搅拌48h，洗涤的水醇比为(5～10):1。
进一步限定，步骤一的超声时间为0.5～3h，获得上层悬浊液的离心速率为3000～4000rpm，离心时间为10～60min。
进一步地限定，步骤二镍盐和铁盐的质量比为(1～5):1，镍盐和蒸馏水的质量比为1：(10～50)，镍盐和尿素的质量比为1：(0.5～20)。
进一步地限定，步骤二搅拌速率为100rpm～600rpm，搅拌时间为0.5h～10h。
进一步地限定，步骤二中所述的镍盐为硝酸镍、氯化镍或醋酸镍中的一种，铁盐为硝酸铁、氯化铁或硫酸铁中的一种。
进一步地限定，步骤三中Ti3C2 MXene溶液浓度为(3～20)mg mL-1，Ti3C2MXene溶液与N-甲基吡咯烷酮体积比为1：(0.5～10)。
进一步地限定，步骤三搅拌速率为100rpm～600rpm，搅拌时间为0.5h～10h。
进一步地限定，步骤四所述回流是在90℃～150℃下回流3h～10h，搅拌速率为100rpm～600rpm。洗涤是在3500～5000rpm条件下用去离子水离心洗涤3～5min，重复5～10次。
进一步地限定，步骤五所述硫化处理是在300℃～500℃下煅烧0.5h～4h，其中前驱体与硫粉质量比为1：(5～20).
本发明通过一种简单、高效的方法制得了双过渡金属硫化物/MXene电催化剂材料。本发明所得的双过渡金属硫化物/MXene电催化剂材料在电催化分解水析氧方面有着较为理想的表现，镍铁双金属硫化物/Ti3C2 MXene复合体有着优异的OER催化活性，在100mAcm-2的电流密度下的过电势为293mV，活性高于商业RuO2催化剂，这表明镍铁双金属硫化物/Ti3C2 MXene复合体可以用作高效的非贵金属产氧催化剂。
本发明制备所得双过渡金属硫化物/MXene复合体，过渡金属硫化物在Ti3C2MXene上均匀生长，过渡金属硫化物与Ti3C2 MXene易结合，表现出优良的电解水析氧催化活性。
本发明未使用任何贵金属，因此大大减小了成本上的支出并且对今后电催化碱性性分解水的设计与实际应用中具有重要的指导意义。
本发明未使用任何粘合剂，不会污染环境。
本发明通过在Ti3C2 MXene上原位生长金属的策略制备镍铁双金属硫化物材料。操作方法和反应设备都相对简单，有利于催化剂材料的大规模制备。
本发明可以通过调节原料比例，回流条件(时间和温度)和煅烧条件(时间和温度)实现对镍铁双金属硫化物/Ti3C2 MXene复合体的尺寸、形貌、金属比例的调控。
本发明方法制得的镍铁双金属硫化物/Ti3C2 MXene复合体材料具有高导电
性、大电化学表面积、高化学稳定性和耐碱抗腐蚀的特点，并且表现出优异的碱性电解水析氧活性。
附图说明
图1是实施例1得到的Ti3C2 MXene二维材料的扫描电子显微镜图；
图2是实施例1得到的镍铁双金属硫化物/Ti3C2 MXene复合材料的扫描电子显微镜图；
图3是实施例1得到的镍铁双金属硫化物/Ti3C2 MXene复合材料的放大更高倍数扫描电子显微镜图；
图4是实施例1得到的Ti3C2 MXene二维材料与Ti3AlC2 MAX块状材料的X射线衍射图；
图5是以及镍铁双金属硫化物/Ti3C2 MXene复合材料的X射线衍射图；
图6是不同催化剂在碱性条件下的析氧性能图。
具体实施方式
实施例1：一种用于碱性大电流析氧的双过渡金属硫化物/MXene复合材料的制备方法，所述制备方法是通过下述步骤实现的：
步骤一、用浓盐酸、LiF和去离子水的混合溶液，在35℃水浴条件下搅拌48h，再对Ti3AlC2 MAX进行刻蚀，然后用水醇溶液洗涤，水醇比为5:1，再进行超声离心取上层悬浊液，即完成Ti3AlC2 MAX的剥离，得到Ti3C2 MXene溶液；所述混合溶液中浓盐酸和去离子水的体积比为3:1，Ti3AlC2 MAX和LiF质量比为1:1，浓盐酸摩尔浓度为12mol/L，Ti3AlC2 MAX为200目；超声时间为0.5h，获得上层悬浊液的离心速率为3000rpm，离心时间为10min；
步骤二、将镍盐、铁盐和尿素溶解在去离子水中，搅拌均匀，溶液颜色为黄绿色，形成镍铁氢氧化物中间体；镍盐和铁盐的质量比为1:1，镍盐和蒸馏水的质量比为1：10，镍盐和尿素的质量比为1：0.5；镍盐为硝酸镍，铁盐为硝酸铁；
步骤三、将步骤一得到的Ti3C2 MXene溶液加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，搅拌均匀，溶液颜色为墨绿色，形成NMP-Ti3C2 MXene溶液；Ti3C2 MXene溶液浓度为3mg mL-1，Ti3C2MXene溶液与N-甲基吡咯烷酮体积比为1：0.5；搅拌速率为100rpm，搅拌时间为0.5h；
步骤四、将步骤二得到的镍铁氢氧化物中间体和步骤三得到的NMP-Ti3C2
MXene溶液混合，搅拌均匀转移到三径烧瓶中，进行回流反应，离心洗涤，冻干，得到镍铁层状双金属氢氧化物/Ti3C2 MXene复合体；所述回流是在90℃下回流3h，搅拌速率为100rpm。洗涤是在3500rpm条件下用去离子水离心洗涤3min，重复5次；
步骤五、将步骤四得到的镍铁层状双金属氢氧化物/Ti3C2 MXene复合体硫化处理，得到硫化镍铁/Ti3C2 MXene复合体；所述硫化处理是在300℃下煅烧0.5h，其中镍铁层状双金属氢氧化物/Ti3C2 MXene复合体与硫粉质量比为1：5。
实施例2：一种用于电解水析氧的双金属硫化物/MXene复合体的制备方法，所述制备方法是通过下述步骤实现的：
步骤一、用浓盐酸、LiF和去离子水的混合溶液，在35℃水浴条件下搅拌48h，再对Ti3AlC2 MAX进行刻蚀，然后用水醇溶液洗涤，水醇比为10:1，再进行超声离心取上层悬浊液，即完成Ti3AlC2 MAX的剥离，得到Ti3C2 MXene溶液；所述混合溶液中浓盐酸和去离子水的体积比为3:1，Ti3AlC2 MAX和LiF质量比为1:2，浓盐酸摩尔浓度为12mol/L，Ti3AlC2 MAX为400目；超声时间为3h，获得上层悬浊液的离心速率为4000rpm，离心时间为60min；
步骤二、将镍盐、铁盐和尿素溶解在去离子水中，搅拌均匀，溶液颜色为黄绿色，形成镍铁氢氧化物中间体；镍盐和铁盐的质量比为5:1，镍盐和蒸馏水的质量比为1：50，镍盐和尿素的质量比为1：15；镍盐为氯化镍，铁盐为氯化铁；
步骤三、将步骤一得到的Ti3C2 MXene溶液加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，搅拌均匀，溶液颜色为墨绿色，形成NMP-Ti3C2 MXene溶液；Ti3C2 MXene溶液浓度为20mg mL-1，Ti3C2MXene溶液与N-甲基吡咯烷酮体积比为1：10；搅拌速率为600rpm，搅拌时间为10h；
步骤四、将步骤二得到的镍铁氢氧化物中间体和步骤三得到的NMP-Ti3C2MXene溶液混合，搅拌均匀转移到三径烧瓶中，进行回流反应，离心洗涤，冻干，得到镍铁层状双金属氢氧化物/Ti3C2 MXene复合体；所述回流是在150℃下回流10h，搅拌速率为600rpm。洗涤是在5000rpm条件下用去离子水离心洗涤5min，重复10次；
步骤五、将步骤四得到的镍铁层状双金属氢氧化物/Ti3C2 MXene复合体硫化处理，得到硫化镍铁/Ti3C2 MXene复合体；所述硫化处理是在300℃～500℃下
煅烧4h，其中镍铁层状双金属氢氧化物/Ti3C2 MXene复合体与硫粉质量比为1：20。
实施例3：一种用于电解水析氧的双金属硫化物/MXene复合体的制备方法，所述制备方法是通过下述步骤实现的：
步骤一、用浓盐酸、LiF和去离子水的混合溶液，在35℃水浴条件下搅拌48h，再对Ti3AlC2 MAX进行刻蚀，然后用水醇溶液洗涤，水醇比为8:1，再进行超声离心取上层悬浊液，即完成Ti3AlC2 MAX的剥离，得到Ti3C2 MXene溶液；所述混合溶液中浓盐酸和去离子水的体积比为3:1，Ti3AlC2 MAX和LiF质量比为1:1.5，浓盐酸摩尔浓度为12mol/L，Ti3AlC2 MAX为300目；超声时间为2h，获得上层悬浊液的离心速率为3500rpm，离心时间为30min；
步骤二、将镍盐、铁盐和尿素溶解在去离子水中，搅拌均匀，溶液颜色为黄绿色，形成镍铁氢氧化物中间体；镍盐和铁盐的质量比为3:1，镍盐和蒸馏水的质量比为1：30，镍盐和尿素的质量比为1：8；镍盐为醋酸镍，铁盐为硫酸铁；
步骤三、将步骤一得到的Ti3C2 MXene溶液加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，搅拌均匀，溶液颜色为墨绿色，形成NMP-Ti3C2 MXene溶液；Ti3C2 MXene溶液浓度为12mg mL-1，Ti3C2MXene溶液与N-甲基吡咯烷酮体积比为1：5；搅拌速率为300rpm，搅拌时间为5h；
步骤四、将步骤二得到的镍铁氢氧化物中间体和步骤三得到的NMP-Ti3C2MXene溶液混合，搅拌均匀转移到三径烧瓶中，进行回流反应，离心洗涤，冻干，得到镍铁层状双金属氢氧化物/Ti3C2 MXene复合体；所述回流是在90℃～150℃下回流6h，搅拌速率为300rpm。洗涤是在4000rpm条件下用去离子水离心洗涤4min，重复8次；
步骤五、将步骤四得到的镍铁层状双金属氢氧化物/Ti3C2 MXene复合体硫化处理，得到硫化镍铁/Ti3C2 MXene复合体；所述硫化处理是在300℃～500℃下煅烧2h，其中镍铁层状双金属氢氧化物/Ti3C2 MXene复合体与硫粉质量比为1：12。
实施例4：本实施例一种用于电解水析氧的双金属硫化物/MXene复合体的制备方法，，所述制备方法是通过下述步骤实现的：
步骤一，将1g Ti3AlC2 MAX粉末、2g氟化锂溶解在60mL浓度为9M的盐
酸中，在35℃水浴条件下搅拌48h，之后用7:1的超纯水和乙醇混合溶液多次离心洗涤至pH值约为6，再用超纯水离心洗涤除去乙醇，然后在得到的黑色沉淀中加入50mL超纯水，手摇30min后超声1h，再以3500rpm转速离心1h，得到上层墨绿色Ti3C2 MXene溶液。
步骤二，将1g硝酸镍、0.5g硝酸铁、10g尿素溶解在20mL蒸馏水中，搅拌均匀，得到黄绿色溶液。
步骤三，将10mL步骤一得到的Ti3C2 MXene溶液滴加入30mL N-甲基吡咯烷酮中，搅拌均匀，得到墨绿色溶液。
步骤四，将步骤二和步骤三得到的反应液搅拌均匀转移到250mL三径烧瓶中，在N2保护条件下120℃回流7h，离心洗涤多次，冻干，得到镍铁层状双金属氢氧化物/Ti3C2 MXene复合体；
步骤五，将步骤四得到的镍铁层状双金属氢氧化物/Ti3C2 MXene复合体放入管式炉中，在350℃下硫化处理0.5h，然后自然冷却至室温，得到硫化镍铁/Ti3C2MXene复合体。
实施例4获得的Ti3C2 MXene二维材料的扫描电子显微镜图片如图1，从图中可以看出，Ti3AlC2 MAX得到充分剥离形成了二维结构的Ti3C2 MXene。
实施例4获得的硫化镍铁/Ti3C2 MXene复合体的扫描电子显微镜图片如图2，从图中可以看出，镍铁双金属硫化物组成的纳米片阵列结构均匀地垂直生长在Ti3C2 MXene上，证明形成了有序的镍铁双金属硫化物复合材料。
实施例4获得的硫化镍铁/Ti3C2 MXene的放大更高倍数的扫描电子显微镜图片如图3所示，从图中可以看出，镍铁双金属硫化物组成的纳米片阵列结构有序地垂直生长在Ti3C2 MXene上，证明形成了均匀有序的镍铁双金属硫化物复合材料。
实施例4获得的Ti3C2 MXene二维材料与Ti3AlC2 MAX块状材料的X射线衍射图如图4所示，从图中可以看出，在经过剥离后Ti3C2 MXene二维材料的特征峰与Ti3AlC2 MAX块状材料有明显差异，证明成功剥离了Ti3AlC2 MAX块状材料，得到Ti3C2 MXene二维材料。
实施例4获得的Ti3C2 MXene及硫化镍铁/Ti3C2 MXene复合体的粉末X射线衍射谱图如图5所示，从图中可以看出，这些衍射峰均归属于[Fe,Ni]S2(PDF#02-0850)的特征衍射峰，而Ti3C2 MXene的衍射峰被覆盖，证明了成功地制备镍铁双金属硫化物/Ti3C2 MXene复合体。
不同催化剂的析氧性能如图6所示，在1M KOH溶液中室温条件下使用经典的三电极体系评价了镍铁双金属硫化物/Ti3C2 MXene复合体的催化OER的性能。同时用Ti3C2MXene和商业RuO2作为对比样品。在扫速5mV s-1下Ti3C2MXene、镍铁双金属硫化物/Ti3C2MXene和RuO2催化剂的极化曲线。从图中可以看出，MXene的活性很差，而镍铁双金属硫化物/Ti3C2 MXene复合材料表现出优于商业RuO2的OER催化活性，在50、100和200mA cm-2的电流密度下的过电势分别为203、293和339mV以及292、338和420mV，且镍铁双金属硫化物/Ti3C2 MXene最大电流密度能够达到约1600mA，这表明镍铁双金属硫化物/Ti3C2 MXene可以用作高效的非贵金属析氧催化剂，可以大大降低生产成本，具有一定的应用前景。
Claims (8)
1.一种用于电解水析氧的双金属硫化物/MXene复合体的制备方法，其特征在于，所述制备方法是通过下述步骤实现的：
步骤一、用浓盐酸、LiF和去离子水的混合溶液对Ti3AlC2 MAX进行刻蚀，然后用水醇溶液洗涤，再进行超声离心取上层悬浊液，即完成Ti3AlC2 MAX的剥离，得到Ti3C2 MXene溶液；
步骤二、将镍盐、铁盐和尿素溶解在去离子水中，搅拌均匀，溶液颜色为黄绿色，形成镍铁氢氧化物中间体；镍盐和铁盐的质量比为(1～5):1，镍盐和蒸馏水的质量比为1：(10～50)，镍盐和尿素的质量比为1：(0.5～15)；
步骤三、将步骤一得到的Ti3C2 MXene溶液加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，搅拌均匀，溶液颜色为墨绿色，形成NMP-Ti3C2 MXene溶液；Ti3C2 MXene溶液浓度为(3～20)mg/mL；Ti3C2 MXene溶液与N-甲基吡咯烷酮体积比为1：(0.5～10)；
步骤四、将步骤二得到的镍铁氢氧化物中间体和步骤三得到的NMP-Ti3C2 MXene溶液混合，搅拌均匀转移到三径烧瓶中，进行回流反应，离心洗涤，冻干，得到镍铁层状双金属氢氧化物/Ti3C2 MXene复合体；所述回流是在90℃～150℃下回流3h～10h，搅拌速率为100rpm～600rpm，搅拌时间为0.5h～10h；
步骤五、将步骤四得到的镍铁层状双金属氢氧化物/Ti3C2 MXene复合体硫化处理，得到硫化镍铁/Ti3C2 MXene复合体；所述硫化处理是在300℃～500℃下煅烧0.5h～4h，其中镍铁层状双金属氢氧化物/Ti3C2 MXene复合体与硫粉质量比为1：(5～20)。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤一所述混合溶液中浓盐酸和去离子水的体积比为3:1，Ti3AlC2 MAX和LiF质量比为1:(1～2)，浓盐酸摩尔浓度为12mol/L，Ti3AlC2 MAX为(200～400)目。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤一的剥离是将Ti3AlC2 MAX置于混合溶液中水浴搅拌48h，洗涤的水醇比为(5～10):1。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤一的超声时间为0.5～3h，获得上层悬浊液的离心速率为3000～4000rpm，离心时间为10～60min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤二中所述的镍盐为硝酸镍、氯化镍或醋酸镍中的一种，铁盐为硝酸铁、氯化铁或硫酸铁中的一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤三搅拌速率为100rpm～600rpm，搅拌时间为0.5h～10h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤四洗涤是在3500～5000rpm条件下用去离子水离心洗涤3～5min，重复5～10次。
8. 一种用于电解水析氧的双金属硫化物/MXene复合体，其特征在于，所述复合体采用权利要求1-7任一项所述的方法制备得到，所述复合体是由Ti3C2 MXene二维结构和镍铁硫化物纳米片组成，硫化镍铁纳米片阵列均匀有序地生长在Ti3C2 MXene二维结构上。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |