CN114950544A - 一种苯胺基团修饰的MXene负载金属催化剂的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种苯胺基团修饰的MXene负载金属催化剂的制备方法及应用。所述的苯胺基团修饰的MXene负载金属催化剂，其中金属为钯或钯镍、钯钴、钯银、钯铬合金；所述的应用以苯胺基团修饰的MXene负载金属催化剂催化甲酸水溶液分解制氢。本发明使用对苯二胺和亚硝酸异戊酯与纯MXene发生反应，使MXene表面被苯胺基团修饰，采用硼氢化钠为还原剂使金属盐还原为金属颗粒，负载于苯胺基团修饰的MXene载体上，制备过程简单，制得的苯胺基团修饰的MXene负载金属催化剂，金属粒径在5纳米以下，其对甲酸具有高效催化分解制氢性能，并且便于回收可循环使用。
Description
技术领域
本发明涉及催化剂合成领域，具体是一种用于催化甲酸分解制氢的钛基MXene负载金属催化剂的制备方法。
背景技术
在传统化石能源——石油、天然气和煤等日益枯竭、环境污染日益加重的严峻考验下，发展清洁环保、高能效、可再生的新能源已成为全世界的共识。其中就包括如何用非化石能源的新增部分来替代化石能源存量的问题。氢能以热值高、无污染和可再生等优势而受到世界各国的广泛重视。
在氢能经济呼之欲出的今天，甲酸(HCOOH)被认为是一种具有巨大应用潜力的储氢、制氢材料。甲酸的储氢容量为4.4wt％，相应的体积容量为53g H2/L。实际上甲酸的重量能量密度是普通锂离子电池的7倍，可在催化剂的作用下，在常温常压下产生氢气： HCOOH→H2+CO2。催化剂主要分为两种，均相和异相催化剂。均相催化剂反应活性高、选择性好，但由于是均相，反应的装置设计较为复杂。异相催化剂以贵金属钯、金为主，稳定性好、制备较容易，制氢装备可大大简化，有利于实际应用。
研究者们已开发了诸多性能好的异相催化剂，2016年，Gao等人将高分散的AgPd合金固定在氧化锆基的金属有机骨架结构载体上，在室温条件下，该催化剂的转化效率(TOF)值为103h-1。Yi等人在2013年将金催化粒子单分散在二氧化铈载体上制备出的催化剂 (Au/CeO2)是一种高效、稳定的甲酸制氢催化剂，可以在近室温条件下分解甲酸产氢，催化剂对甲酸分解产氢和二氧化碳的反应选择性为100％。2016年，Bi等人通过传统的沉淀方法将Au催化粒子负载在ZrO2基体上制备出高稳定性的催化剂，该催化剂在60℃温度下，催化甲酸和胺混合物的TOF值可达1166h-1。上述负载型复合催化剂，可以限制金属粒子的尺寸，提高金属颗粒的分散性，提供更多的催化活性位点，并且一些载体可与金属纳米颗粒之间产生电子的相互作用，使催化剂表现出更好的催化活性和氢气选择性。
MXene材料是一种近年来发展起来的二维层状结构的前过渡金属碳化物和碳氮化合物，其具有类石墨烯结构的新型二维纳米材料，兼具优异的亲水性能和导电性能，同时具有很高的机械强度和离子可插层性，自2011年问世以来，就成为二维纳米材料领域的研究热点。 MXene材料的前驱体为MAX相陶瓷，这是一类具有三元层状结构的金属碳化物或氮化物，兼具陶瓷材料的高模量和金属材料的高导电性的优点，其结构通式为Mn+1AXn，其中M代表过渡金属元素，如Ti、Nb、V、Ta、Mo、Cr等；A代表主族元素，一般为Al或Si；X一般为C或N；n＝1、2、3。目前成功制备的MXene材料包括Ti3C2、Ti2C、(V0.5,Cr0.5)3C2、(Ti0.5, Nb0.5)2C、Nb2C、V2C、Ti3CN、Ta4C3等。MXene材料已经在超级电容器、锂离子电池、吸附、光催化等领域得到大量的研究与应用。其表面存在着大量纳米级的缺陷，可以为化学反应提供大量的活性位点，同时其表面含有大量的-OH和-F等官能团，可以很好的固定金属纳米颗粒，这些特点使其可以成为一种很有潜力的负载型催化剂载体。
但目前的研究表明，直接以钛基的MXene材料负载金属钯或金属钯与金属银、镍、钴、铬的合金所制备的催化剂，并没有较好的催化甲酸分解制氢的催化活性。经大量研究发现，利用对苯二胺对钛基的MXene进行处理，使其MXene表面修饰上苯胺基团，利用苯胺基团对金属离子的吸附作用，使负载在MXene载体上的金属粒子尺寸更小，分布更加均匀，可使催化剂具有更多的催化活性中心。同时，苯胺基团属于碱性基团，在催化甲酸分解制氢时，使催化剂吸附甲酸的能力更强，因此苯胺基团修饰后的MXene负载金属催化活性更高。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种采用对苯二胺对MXene材料进行苯胺基团修饰的方法，利用亚硝酸异戊酯与对苯二胺的反应，对MXene材料表面进行苯胺基团的修饰，优选出具有较好催化性能苯胺基团修饰的MXene载体体系；在通过液相还原剂还原钯金属离子或者钯的双金属离子溶液，实现在苯胺基团修饰的MXene载体上负载钯金属或其合金粒子的构筑，解决金属粒子团聚或催化甲酸分解制氢活性差的问题。所述的制备方法不仅提高了制备过程中的可控性，且工艺简单，容易实现，可以高效地催化甲酸分解制氢反应，对甲酸分解制氢的应用极大地促进作用。
发明内容
本发明目的是提供一种用于甲酸分解制氢的以苯胺基团修饰的MXene为载体的纳米钯及钯合金的复合型催化剂的制备方法，采用对苯二胺对MXene进行苯胺基团修饰，采用还原法将钯及钯合金负载于修饰后MXene载体表面，制得苯胺基团修饰的MXene为载体的纳米钯及钯合金的复合型催化剂。制备过程简单，苯胺基团修饰后的MXene载体对钯及钯合金的催化性能起到了极大的促进作用，其对甲酸具有高效催化制氢性能，对工业化甲酸制取氢能提供了有效的催化剂材料。
本发明的方法包括以下步骤：
步骤一：制备纯MXene材料：
先将MAX相材料填加到加入HCl和氟化盐的混合溶液中，在20～50℃温度下化学刻蚀 MAX相材料，水浴反应18～48h，得到反应产物，将反应产物进行离心水洗直至pH值接近7，随后冷冻干燥或真空干燥得到粉末状MXene材料。
步骤一中，所述MAX相材料选自Ti3AlC2、Ti3SiC2中至少一种。其中所述氟化盐选LiF、 NH4F或KF中一种；所述HCl和氟化盐的混合溶液比例为3～5:1，如：3:1、4:1以及5:1等。
所制备的MXene表面带有带有-F、-OH基团，带有上述基团的纯MXene载体对钯及钯合金的催化性能毫无促进作用，即步骤一所制备的MXene载体负载钯及钯合金不能催化甲酸制取氢气。
步骤二：制备苯胺基团修饰的MXene载体：
将制备的粉末状纯MXene材料配置为0.1wt％质量分数的水溶液，再加入1～20wt％质量分数的对苯二胺，将混合溶液超声20～120分钟直至MXene完全分散为均一溶液。在磁力搅拌下滴加1～20wt％质量分数的亚硝酸异戊酯至混合溶液中，在60-85℃水浴中磁力搅拌 10-24h。冷却至室温后离心水洗，真空干燥后为苯胺基团修饰的MXene载体。
步骤三：制备苯胺基团修饰的MXene载体负载钯或钯合金的负载型催化剂：
将制备的30～100mg经苯胺基团修饰的MXene载体置于50～200mg水中，超声20～120分钟直至苯胺基团修饰的MXene分散为均一溶液。将一种钯盐，以及镍盐、银盐、钴盐、铬盐中的一种加入上述溶液中，搅拌1～2小时。所用的金属盐总质量分数占所用MXene载体质量的3％～10％。另配制摩尔量为金属盐总摩尔量5～10倍的硼氢化钠水溶液3～5ml 做为还原剂溶液，在0～30℃环境下，加入MXene载体与金属盐的混合溶液中，反应5～120 分钟，将金属盐离子还原至金属颗粒。经离心水洗，真空干燥后得到苯胺基团修饰的MXene 载体负载钯或钯合金的负载型催化剂。
步骤三中，所述金属盐为钯盐，或钯盐与镍盐、银盐、钴盐、铬盐四种中的一种。其中所述钯盐选自氯钯酸钾、氯钯酸钠、氯钯酸、氯亚钯酸钾等；所述镍盐选自氯化镍、硫酸镍、硝酸镍或草酸镍等；所述银盐选自硝酸银等；所述钴盐选自氯化钴等、所述铬盐选自硝酸铬等。
本发明与现有技术相比，具有显著的积极效果和先进性：通过简单的液相化学反应，将苯胺基团修饰于MXene载体上，替代MXene本身所带有的羟基和氟基，使MXene载体对甲酸分解制氢的催化活性大大提高。优化剂量的硼氢化钠还原剂使金属离子还原，形成纳米量级的金属或合金粒子，均匀分布在苯胺基团修饰的MXene表面，形成负载型催化剂。该催化剂具有良好的稳定性、催化反应活性，可100％使甲酸分解生成氢气和氮气，无其他副反应发生。本发明中苯胺基团修饰的MXene负载钯或钯合金催化剂的制备方法简单，所用原料储量丰富，制造成本低，适合产业化生产；所制得的催化剂具有更好的催化性能和更长的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的苯胺基团修饰MXene载体负载钯金属催化剂的透射电镜图。
图2为本发明实施例2制备的苯胺基团修饰MXene载体负载钯铬合金催化剂的透射电镜图。
图3为本发明实施例1制备的苯胺基团修饰MXene载体负载钯金属催化剂的X射线衍射谱图。
图4为本发明实施例1制备的苯胺基团修饰MXene载体负载钯金属催化剂在不同温度下催化甲酸分解制氢的摩尔量随时间变化曲线。
图5为本发明实施例1制备的苯胺基团修饰MXene载体负载钯金属催化剂催化甲酸分解制氢重复使用的甲酸分解制氢的摩尔量随时间变化曲线。
图6为本发明实施例1制备的苯胺基团修饰MXene载体负载钯金属催化剂催化甲酸分解制氢重复使用的透射电镜图。
图7为本发明实施例1制备的苯胺基团修饰MXene载体负载钯金属催化剂红外吸收谱图。
图8为本发明实施例5制备的纯MXene载体负载钯金属催化剂催化甲酸分解制氢时间变化曲线。
具体实施方式
下面的实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
实施例1：苯胺基团修饰MXene载体负载钯金属催化剂的制备
步骤一：制备二维MXene材料：
先将MAX相材料Ti3AlC2的0.5g填加到加入10mL浓度6mol/L的盐酸和0.5g氟化锂的混合溶液中，在35℃温度下化学刻蚀Ti3AlC2，反应24h后得到反应产物，将反应产物进行离心水洗直至pH值接近7，随后真空干燥得到粉末状MXene材料Ti3C2(OHxF1-x)2。
步骤二：制备苯胺基团修饰的MXene载体：
将制备的粉末状MXene材料配置为0.1wt％质量分数的水溶液，再加入10wt％质量分数的对苯二胺，将混合溶液超声120分钟直至MXene完全分散为均一溶液。在磁力搅拌下滴加10wt％质量分数的亚硝酸异戊酯至混合溶液中，在80℃水浴中磁力搅拌12h。冷却至室温后离心水洗，真空干燥后为苯胺基团修饰的MXene载体。
步骤三：制备苯胺基团修饰的MXene载体负载钯或钯合金的负载型催化剂：
将制备的50mg经苯胺基团修饰的MXene载体置于50mg水中，超声60分钟直至苯胺基团修饰的MXene分散为均一溶液。将2.5mg氯钯酸钾加入上述溶液中，搅拌1小时。另配制35mg硼氢化钠水溶液5ml做为还原剂溶液，在25℃环境下，加入胺基团修饰MXene 载体与氯钯酸钾的混合溶液中，反应10分钟，将氯钯酸钾还原至金属钯颗粒。经离心水洗，真空干燥后得到苯胺基团修饰的MXene载体负载钯负载型催化剂。
图1为本发明实施例1苯胺基团修饰MXene载体负载钯金属催化剂的透射电镜图。从图中可以看出，钯金属颗粒催化剂的粒径大小不超过5nm。图3为本发明实施例1制备的苯胺基团修饰MXene载体负载钯金属催化剂的X射线衍射谱(XRD)图。图中显示MXene载体特征峰及钯金属特征峰。图7为本发明实施例1制备的苯胺基团修饰MXene载体负载钯金属催化剂红外吸收谱图。图中显示MXene载体表面苯胺基团的红外光谱吸收峰。
实施例2：苯胺基团修饰MXene载体负载钯铬合金催化剂的制备
制备苯胺基团修饰的MXene载体方法同实施例1；
将50mg经苯胺基团修饰的MXene载体置于50mg水中，超声60分钟直至苯胺基团修饰的MXene分散为均一溶液。将1.5mg氯钯酸钾及0.75mg硝酸铬加入上述溶液中，搅拌1 小时。另配制35mg硼氢化钠水溶液5ml做为还原剂溶液，在25℃环境下，加入胺基团修饰MXene载体与氯钯酸钾的混合溶液中，反应15分钟，将氯钯酸钾和硝酸铬还原至钯铬合金颗粒。经离心水洗，真空干燥后得到苯胺基团修饰的MXene载体负载钯铬合金负载型催化剂。。
图2为本发明实施例2制备苯胺基团修饰MXene载体负载钯铬合金催化剂的透射电镜图。从图中可以看出，钯铬合金颗粒粒径大小不超过3nm。
实施例3：一种包含实施例1制备的苯胺基团修饰MXene载体负载钯金属催化剂的甲酸(HCOOH)水解制氢体系。对该体系甲酸分解制氢的研究如下：
将制备的50mg的磷掺杂的镍铂纳米催化剂加入到3ml去离子水的三口烧瓶中，三口瓶固定在水浴恒温振荡器中，反应温度可通过水浴调解，振荡器以220圈/每分钟带动三口瓶旋转震荡，用移液枪加入2ml含有6mmol甲酸溶液，加入完以后，用橡胶塞封闭三口瓶，并立马按下秒表开始计时。产生的氢气用岛津DC-14C气相色谱检测，此气相色谱使用0.5nm分子筛柱(3m×2mm)，热导池检测器(TCD)，载气为氩气。
研究该体系中反应温度对催化制氢速率的影响，包括以下步骤：
上述苯胺基团修饰MXene载体负载钯金属催化剂的甲酸水解制氢体系温度分别为30℃、40℃、50℃、60℃.记录各个反应在不同时刻收集到的氢气的体积。释放完氢气所需的时间分别为20.1min、11min、3.8min和1.7min，以氢气体积对时间作曲线，如图4所示，以每条曲线接近直线的部分分别计算出不同温度下的催化制氢速率，进一步计算出相应的TOF(转化速率)值，它们分别是182,313.8,924.4,and 1929.8molH2·(molPd)-1·h-1。该体系中，反应温度对催化水解速率的影响为：随着温度的升高，甲酸的分解制氢速率增大。
研究该体系中催化剂的循环利用情况，包括以下步骤：
在首次催化甲酸分解制氢反应结束后，将等量的甲酸水溶液再次加入到三口瓶中，继续测量催化剂产氢速率。反应结束后再一次加入等量的甲酸水溶液，共循环重复5次。分别记录每次重复使用过程中氢气产量和对应的反应时间。从图5所示结果可以看出，苯胺基团修饰MXene载体负载钯金属催化剂对催化甲酸水解制氢保持高活性，多次循环反应仍然保持良好的活性。对循环反应后回收的催化剂进行透射电镜分析，如图6所示。从图中可以看出反应后催化剂的形貌并无明显的变化，即催化剂在循环反应后仍然稳定，可继续重复使用。
实施例4：一种包含实施例2制备的苯胺基团修饰MXene载体负载钯铬合金催化剂的甲酸水解制氢体系。对该体系甲酸分解制氢反应如下：
将制备的50mg的苯胺基团修饰MXene载体负载钯铬合金催化剂加入到3ml去离子水的三口瓶中超声分散，三口瓶固定在水浴恒温振荡器中，反应温度可通过水浴调解，振荡器以220圈/每分钟带动三口瓶旋转震荡，用移液枪向三口瓶中加入含有6mmol甲酸的2ml水溶液，加入完以后，用橡胶塞封闭三口瓶。并立马按下秒表开始计时。产生的氢气用岛津DC-14C气相色谱检测，此气相色谱使用0.5nm分子筛柱(3m×2mm)，热导池检测器(TCD)，载气为氩气。
实施例5：纯MXene载体负载钯金属催化剂的制备
二维MXene材料的制备方法同实施例1
将制备的50mg纯MXene载体置于50mg水中，超声30分钟直至分散为均一溶液。将2.5mg氯钯酸钾加入上述溶液中，搅拌1小时。另配制35mg硼氢化钠水溶液5ml做为还原剂溶液，在25℃环境下，加入纯MXene载体与氯钯酸钾的混合溶液中，反应10分钟，将氯钯酸钾还原至金属钯颗粒。经离心水洗，真空干燥后得到纯MXene载体负载钯金属催化剂。
实施例6：一种包含实施例5制备的纯MXene载体负载钯金属催化剂的甲酸分解制氢体系，对该体系分解制氢行为的研究与实施例3相同，所得的实验结果与实施例3类似。如图 8所示结果可以看出，纯MXene载体负载钯金属催化剂的催化甲酸分解制氢的反应速率远低于实施例1中制备的苯胺基团修饰MXene载体负载钯金属催化剂，说明本专利所制备的苯胺基团修饰MXene载体负载钯金属催化剂的甲酸分解制氢性能好于无苯胺基团修饰的催化剂。
显然，本发明上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (4)
1.一种苯胺基团修饰的MXene负载金属催化剂的制备方法，使用对苯二胺和亚硝酸异戊酯与纯MXene发生反应，使MXene表面修饰为苯胺基团，采用硼氢化钠为还原剂，还原钯盐或者钯盐与镍、钴、银、铬盐中的一种，合成以苯胺基团修饰的MXene为载体，负载钯或钯合金的催化剂，其制备方法包括以下步骤：
1)制备钛基二维MXene材料；
2)将步骤1)的MXene材料配置为0.1wt％质量分数的水溶液，再加入一定质量分数的对苯二胺形成混合溶液。在磁力搅拌下滴加一定质量分数的亚硝酸异戊酯至混合溶液中，在水浴中磁力搅拌一定时间。经清洗干燥后得到苯胺基团修饰的MXene载体；
3)将步骤2)的苯胺基团修饰的MXene载体配置成水溶液。将一种钯盐，以及镍盐、银盐、钴盐、铬盐中的一种加入上述溶液中形成混合溶液。另配制硼氢化钠水溶液做为还原剂溶液，加入混合溶液中，将金属盐离子还原至金属颗粒，即为苯胺基团修饰的MXene负载金属催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种苯胺基团修饰的MXene负载金属催化剂的制备方法，其特征在于：所述钯盐选自氯钯酸钾、氯钯酸钠、氯钯酸、氯亚钯酸钾等；所述镍盐选自氯化镍、硫酸镍、硝酸镍或草酸镍等；所述银盐选自硝酸银等；所述钴盐选自氯化钴等、所述铬盐选自硝酸铬等。
3.根据权利要求1所述的一种苯胺基团修饰的MXene负载金属催化剂的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述对苯二胺和亚硝酸异戊酯质量分数均为1～20wt％。
4.根据权利要求1所述的一种苯胺基团修饰的MXene负载金属催化剂在甲酸分解制氢中的应用。
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