[发明专利]一种石墨烯量子点/MXene纳米片二维复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种石墨烯量子点/MXene纳米片二维复合材料及其制备方法和应用，属于包含碳化合物的催化剂技术领域。该制备方法以氟化锂和盐酸刻蚀碳铝钛制备得到MXene材料，再将其超声分散在乙二醇溶液中得到MXene纳米片分散液；向所述MXene纳米片分散液中加入氧化石墨烯量子点，得到的混合溶液经水热反应、透析水洗、冷冻干燥后得到石墨烯量子点/MXene纳米片二维复合材料。将所述石墨烯量子点/MXene纳米片二维复合材料用作析氢催化剂，具有优异的催化性能和稳定性。

技术领域

本发明属于包含碳化合物的催化剂技术领域，具体涉及一种石墨烯量子点/MXene纳米片二维复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

在新一轮能源变革中，氢能以其来源丰富、能量密度高、清洁无污染、可再生、用途广泛等优势，成为世界各国开发新能源技术的首选。电解水是一种十分具有潜力的制氢技术，然而电解水过程中所涉及到的阴极还原析氢反应(HER)需要较高的过电势，在很大程度上限制了氢气的生产效率。为了降低水分解的过电势并提高反应速率，开发、利用高性能的HER电极催化剂是一条行之有效的途径，这也成为了电解水制氢技术能否商业化应用的关键所在。迄今为止，贵金属(如Pt、Ir、Ru等)被认为是最为有效的HER催化剂，然而它们的高成本和稀缺性限制了其在实际生产中的大规模使用。因此开发具有高催化活性且成本低廉的电催化剂是当前电解水制氢领域最大的挑战。

二维过渡金属碳/氮化物(MXene)作为二维材料家族中的一员，不仅天然具备类似于石墨烯的超大比表面积及超薄纳米片层结构，而且还具有其它一系列额外的结构优点，包括优异的金属导电性、丰富的表面官能团、较好的亲水性以及良好的电化学稳定性等。与传统纳米碳材料相比，MXene的表面化学性质更为活跃，能够提供更为丰富的催化活性位点；与只有边缘点催化活性的过渡金属二硫化物(TMDs)相比，MXene可以在更广阔的表面区域进行催化，表现出更高的催化效率。此外，在与其他催化材料复合时，MXene的表面基团可作为锚定位点，确保MXene与复合物之间的稳定结合。有鉴于此，MXene有望成为下一代非贵金属析氢催化剂的候选材料。

另一方面，石墨烯量子点是一种准零维的纳米材料，具有优异的量子限域效应和边缘效应，且不会发生石墨烯层与层之间因较强分子间作用力而产生的堆积和聚集现象。尤其是石墨烯量子点不仅兼具了石墨烯的结构和性质，如较大的比表面积和良好的化学稳定性等，而且其独特的准零维结构赋予了其丰富的边缘缺陷位置，可为电催化反应提供大量的活性位点。此外，石墨烯量子点表面大量的羧基官能团不仅能够使其水溶性变得更好，并且可以使得石墨烯量子点很方便地与其它载体材料进行耦合或杂化，从而进一步提高材料的电催化性能。

考虑到石墨烯量子点具有大量的活性边缘位点和丰富的缺陷结构，如果将其与典型的MXene材料(Ti₃C₂Tx)纳米片相结合，有望在很大程度上提高催化剂材料的电催化性能。目前为止，在电催化领域中，以MXene材料及其复合物或者石墨烯量子点作为析氢催化剂的研究工作已经取得了一些进展。然而，有关石墨烯量子点/MXene复合物作为电催化剂的研究尚处于起步阶段，特别是石墨烯量子点/MXene二维复合催化剂的合成及其作为析氢催化剂的应用研究尚未有过报道。

CN111744519A中公开了一种三维MXene基载体的析氢催化剂的制备方法，以MXene材料和碳材料制备出MXene-碳材料三维复合载体，再负载催化活性颗粒，经过还原、水洗、干燥等步骤得到三维MXene基载体的析氢催化剂。其中催化活性颗粒为H₂PtCl₆·6H₂O、PdCl₂、Na₂PdCl₄、K₂PdCl₆、NiCl₂、CoCl₂、CuCl₂、ZnCl₂中的任一种。即该析氢催化剂中起主要催化作用的并不是MXene-碳材料复合材料。

发明内容