[发明专利]一种复合催化剂MXene/CNTs及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种复合催化剂MXene/CNTs及其制备方法和应用。采用以具有稳定结构的二维材料MXene与碳纳米管复合，构成MXene/CNT复合催化剂，该MXene/CNT催化剂在强酸、碱性条件下分解成相应的水/羟基络合物和游离配体，通过nafion将MXene/CNT复合催化剂固定在玻碳电极上，由于nafion显弱酸性，不会改变催化剂结构，本发明设计的复合阴极不仅大大提高了催化剂的催化活性，而且实现了非均相催化剂的复合阴极在外加电压驱动下电催化还原二氧化碳。

技术领域

本发明属于电催化领域，特别涉及二维材料碳化钛/碳纳米管复合催化剂。

背景技术

在过去的几十年里，二氧化碳被认为是导致全球变暖的主要因素，也是21世纪的主要技术挑战之一。最近，已经开发出许多工艺对二氧化碳进行还原。其中将二氧化碳电解催化还原成CO，CH₄和HCOOH，拥有更高的转换效率，产品选择性和升级可能性已成为利用二氧化碳的又一途径。在这些产品通过电化学过程产生的产物中，甲酸是最有价值的产品之一。总之，在CO₂电还原过程中可以同时满足两个目标，以燃料的形式储存可再生能源和减少大气中二氧化碳的可能性。

将二氧化碳电化学还原为化学燃料，特别是当能源以类似于自然光合作用的方式从太阳能等可再生能源供应时，代表了捕获和利用大气二氧化碳的极具吸引力的途径，并最终实现二氧化碳的还原。然而，在过去几十年巨大的努力里，二氧化碳减排反应的主要障碍仍然是缺乏高性能的电催化剂。目前，许多研究关注的重点是过渡金属作为二氧化碳还原的电催化剂，特别是Cu、A1和Ag，但它们中很少能够同时获得高活性，选择性和耐久性。

发明内容

本发明致力于催化二氧化碳还原的研究，设计并构建了复合催化剂MXene/CNTs。以复合催化剂MXene/CNTs修饰玻碳电极，构建新型电化学电池，电催化结果显示，利用本发明所述负载方式，当外加偏压为-1.5V(vs RHE)时，新型复合阴极MXene/CNTs电极的电流为-1.8mA，约是CNTs电极的10倍，催化活性远优于碳管修饰的玻碳电极。

本发明采用的技术方案是：一种复合催化剂MXene/CNTs，是将MXene材料与碳纳米管CNTs复合，构成的复合催化剂MXene/CNTs。

进一步的，按质量比，MXene：CNTs＝(1～10):1。

一种复合催化剂MXene/CNTs的制备方法，包括如下步骤：室温下，将MXene溶于去离子水中，碳纳米管(CNTs)分散在乙醇中，然后将MXene的水溶液和CNTs的乙醇溶液混合，室温下搅拌12～13小时，离心，真空干燥，得复合催化剂MXene/CNTs。

进一步的，所述MXene的制备方法包括如下步骤：将LiF溶解于HCl中，在10分钟内向该溶液中缓慢加入Ti₃AlC₂(1g)以避免过热，在磁力搅拌下于30～40℃保持24～26小时，用去离子水洗涤并离心，弃去上清液，重复洗涤离心步骤直至上清液的pH值为5.5～6.5，将离心所得沉淀物用PTFE膜真空过滤后，真空干燥，得MXene。

进一步的，按摩尔比，HCl：LiF＝1:2～4。

上述的一种复合催化剂MXene/CNTs作为非均相催化剂在电催化还原二氧化碳中的应用。方法如下：

1)MXene/CNTs修饰电极的制备：将上述的复合催化剂MXene/CNTs分散在乙醇中，然后均匀滴涂到已抛光的玻碳电极GC表面上后，将玻碳电极GC在烘箱中干燥1～2小时，得MXene/CNTs修饰电极。

2)以MXene/CNTs修饰电极为工作电极，以铂丝或铂网为对电极，以Ag/AgCl电极为参比电极，电催化还原二氧化碳。