[發明專利]Cu-Mxene二維納米片材料的制法和電催化劑應用

在審

• 申請號: 202210927052.8
• 申請日: 2022-08-03
• 公開（公告）號: CN115181989A
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 葉偉;徐夢秋
• 申請（專利權）人: 杭州師范大學
• 主分類號: C25B3/09
• 分類號: C25B3/09;C25B3/07;C25B3/29;C25B11/091;C01B32/90;C25D3/38;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 陳煒

本發明公開了一種Cu?Mxene二維納米片材料的制法和電催化劑應用。本發明方法首先將Ti₃AlC₂粉末加入氫氟酸和濃鹽酸的混合液中，磁力攪拌均勻，40～50℃下反應45～50小時，反應產物用去離子水多次離心洗滌至中性，真空干燥后得到Mxene材料；然后將Mxene材料置于在原子沉積設備中，沉積5～15層ALD銅源，得到Cu?Mxene二維納米片材料。本發明還提供了該Cu?Mxene二維納米片材料作為電催化劑在C?N偶聯為尿素上的應用。本發明在電化學工作站中產生更高的電催化活性，在電催化領域有廣泛的應用前景。本發明合成方法具有工藝簡單、耗能少、條件溫和及產品形貌好等特點，適合大規模生產應用。

技術領域

本發明屬于催化劑技術領域，涉及一種Cu-Mxene二維納米片材料的制備方法和作為電催化劑在C-N偶聯為尿素上的應用。

背景技術

尿素是第一種由無機原料生產的有機化合物。由于其氮含量高(46％)并且在土壤中很容易轉化為氨(NH₃)，因此尿素現在是世界上最常用的氮肥。按質量計算，尿素的生產量超過任何其他有機化學品。雖然生產的尿素90％以上用作肥料，但它在其他領域也有重要應用。電催化偶聯N₂和CO₂可以實現常溫、常壓條件的尿素合成，但是該過程的選擇性較低。這主要受限于：(1)難以在催化劑表面活化惰性的N₂和CO₂分子；(2)析氫反應(HER)的競爭；(3)選擇性C-N偶聯與非偶聯電化學還原反應之間的競爭。一種可行的替代方案便是利用N＝O鍵解離能(204kJ·mol^-1)低得多的硝酸鹽(NO₃^-)代替N₂(N≡N鍵解離能：941kJ·mol^-1)與CO₂偶聯，從而電催化合成尿素。然而，該路線需要找到合適催化劑以實現選擇性C-N偶聯以增強尿素選擇性，并同時抑制HER競爭反應以提高法拉第效率(FE)。

因此，為了開發新興的電化學尿素合成，非常需要能夠將NO₃^-和CO₂固定在一起的廉價且高效的電催化劑。在過去的十年中，二維(2D)材料在電催化領域的應用因其較大的比表面積和更多暴露的活性位點而備受關注。最近的一些理論研究表明，Mxene可以為CO₂RR提供良好的活性和選擇性。Cu在很多報道中也提到利于CO₂RR。MXene材料是指過渡金屬碳/氮/碳氮化物(如Ti₃C₂)衍生的二維層狀材料，具體是指一類具有Mn+1XnTx元素構成的材料體系(其中M表示早期過渡族金屬元素，X表示C或者N，T指的是該二維材料表面的基團/修飾體，n通常取值范圍為1-3)。

發明內容

本發明的一個目的就是提供Cu-Mxene二維納米片電催化劑的制備方法。

本發明的Cu-Mxene二維納米片電催化劑由Ti₃AlC₂、氫氟酸、濃鹽酸和ALD銅源復合而成，具體方法如下：

步驟(1)將質量濃度為40～50﹪的氫氟酸和濃度為12mol/L的濃鹽酸按照體積比0.8～1.2:1混合加入反應容器中；

步驟(2)混合溶液中加入Ti₃AlC₂粉末，磁力攪拌均勻成懸浮液；每升混合溶液加入50～100gTi₃AlC₂粉末；

步驟(3)將懸浮液置于恒溫油浴，40～50℃下反應45～50小時；

步驟(4)反應結束后降至常溫，將反應產物用去離子水多次離心洗滌，直到洗滌液的pH值達到6.9～7.1之間；離心洗滌轉速為3000-5000r/min；

步驟(5)50～80℃真空干燥12～36小時，得到Mxene材料；