[发明专利]Cu-Mxene二维纳米片材料的制法和电催化剂应用

说明书

本发明公开了一种Cu‑Mxene二维纳米片材料的制法和电催化剂应用。本发明方法首先将Ti₃AlC₂粉末加入氢氟酸和浓盐酸的混合液中，磁力搅拌均匀，40～50℃下反应45～50小时，反应产物用去离子水多次离心洗涤至中性，真空干燥后得到Mxene材料；然后将Mxene材料置于在原子沉积设备中，沉积5～15层ALD铜源，得到Cu‑Mxene二维纳米片材料。本发明还提供了该Cu‑Mxene二维纳米片材料作为电催化剂在C‑N偶联为尿素上的应用。本发明在电化学工作站中产生更高的电催化活性，在电催化领域有广泛的应用前景。本发明合成方法具有工艺简单、耗能少、条件温和及产品形貌好等特点，适合大规模生产应用。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，涉及一种Cu-Mxene二维纳米片材料的制备方法和作为电催化剂在C-N偶联为尿素上的应用。

背景技术

尿素是第一种由无机原料生产的有机化合物。由于其氮含量高(46％)并且在土壤中很容易转化为氨(NH₃)，因此尿素现在是世界上最常用的氮肥。按质量计算，尿素的生产量超过任何其他有机化学品。虽然生产的尿素90％以上用作肥料，但它在其他领域也有重要应用。电催化偶联N₂和CO₂可以实现常温、常压条件的尿素合成，但是该过程的选择性较低。这主要受限于：(1)难以在催化剂表面活化惰性的N₂和CO₂分子；(2)析氢反应(HER)的竞争；(3)选择性C-N偶联与非偶联电化学还原反应之间的竞争。一种可行的替代方案便是利用N＝O键解离能(204kJ·mol^-1)低得多的硝酸盐(NO₃^-)代替N₂(N≡N键解离能：941kJ·mol^-1)与CO₂偶联，从而电催化合成尿素。然而，该路线需要找到合适催化剂以实现选择性C-N偶联以增强尿素选择性，并同时抑制HER竞争反应以提高法拉第效率(FE)。

因此，为了开发新兴的电化学尿素合成，非常需要能够将NO₃^-和CO₂固定在一起的廉价且高效的电催化剂。在过去的十年中，二维(2D)材料在电催化领域的应用因其较大的比表面积和更多暴露的活性位点而备受关注。最近的一些理论研究表明，Mxene可以为CO₂RR提供良好的活性和选择性。Cu在很多报道中也提到利于CO₂RR。MXene材料是指过渡金属碳/氮/碳氮化物(如Ti₃C₂)衍生的二维层状材料，具体是指一类具有Mn+1XnTx元素构成的材料体系(其中M表示早期过渡族金属元素，X表示C或者N，T指的是该二维材料表面的基团/修饰体，n通常取值范围为1-3)。

发明内容

本发明的一个目的就是提供Cu-Mxene二维纳米片电催化剂的制备方法。

本发明的Cu-Mxene二维纳米片电催化剂由Ti₃AlC₂、氢氟酸、浓盐酸和ALD铜源复合而成，具体方法如下：

步骤(1)将质量浓度为40～50﹪的氢氟酸和浓度为12mol/L的浓盐酸按照体积比0.8～1.2:1混合加入反应容器中；

步骤(2)混合溶液中加入Ti₃AlC₂粉末，磁力搅拌均匀成悬浮液；每升混合溶液加入50～100gTi₃AlC₂粉末；

步骤(3)将悬浮液置于恒温油浴，40～50℃下反应45～50小时；

步骤(4)反应结束后降至常温，将反应产物用去离子水多次离心洗涤，直到洗涤液的pH值达到6.9～7.1之间；离心洗涤转速为3000-5000r/min；

步骤(5)50～80℃真空干燥12～36小时，得到Mxene材料；