一种二维碳化物负载金属单质纳米粉体、制备方法及其应用
【专利摘要】一种二维碳化物负载金属单质纳米粉体、制备方法及其应用，（1）将MAX相陶瓷粉末浸没在溶解氟化锂的盐酸溶液中，搅拌，离心分离，经去离子水和乙醇清洗，干燥后所得固体粉末即为二维碳化物；（2）将二维碳化物溶于金属盐水溶液中制成共混溶液；（3）在搅拌下将还原剂水溶液加入到上述共混溶液中，室温反应0.5?2h，反应结束后，将悬浊液离心所得固体沉淀洗涤、干燥即得二维碳化物负载金属单质纳米粉体。本发明实现了金属单质纳米颗粒在二维碳化物表面及层间的均匀负载，该方法可以负载多种金属单质纳米颗粒到二维碳化物上，所制备的二维碳化物负载金属单质纳米粉体作为光催化剂在处理污水中有机污染物领域具有良好的应用前景。
【专利说明】
一种二维碳化物负载金属单质纳米粉体、制备方法及其应用
技术领域
[0001]本发明属于纳米复合材料制备领域，具体涉及一种二维碳化物负载金属单质纳米粉体、制备方法及其应用。
【背景技术】
[0002]MXene是一种具有类石墨稀结构的新型二维碳化物纳米材料，由氢氟酸刻蚀三元层状陶瓷MAX相的活泼金属层“A”元素而得到的过渡金属碳化物或碳氮化物，由于其特殊的物化性质近年来引起了广泛的研究。迄今为止，MXene家族包括:Ti3C2、Ti2C、V2C、Nb2C、Mo2C、(TiQ.5NbQ.5)2C、Ti3CN、(VtL5CrtL5)3C2JPTa4C3 等，MXene具有类似于石墨烯的二维片层结构和较大的比表面积，可被广泛地应用于吸附、催化、超级电容器、锂离子电池、传感器等诸多技术领域。
[0003]现有技术中研究的工作主要是MXene单组份及负载氧化物纳米复合材料[ZL201410137498.6]的吸附、锂电及超级电容器等方面性能，很少研究二维碳化物纳米材料与金属单质纳米颗粒的负载。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种二维碳化物负载金属单质纳米粉体、制备方法及其应用。
[0005]基于上述目的，本发明采取如下技术方案:
一种二维碳化物负载金属单质纳米粉体的制备方法，包括如下步骤:
(I)将MAX相陶瓷粉末浸没在溶解有氟化锂的盐酸溶液中，搅拌，离心分离，依次用去离子水和乙醇清洗，干燥后所得固体粉末即为二维碳化物(即MXene);
(2 )将二维碳化物(S卩M X e n e )溶于金属盐水溶液中制成共混溶液，二维碳化物(S PMXene)在共混溶液中的浓度为8?10g/L;
(3)搅拌下将还原剂水溶液加入到上述共混溶液中，还原剂水溶液与共混溶液的体积比为1:(1-1.2)，室温反应0.5-2h，反应结束后，将所得悬浊液离心，所得固体沉淀洗涤、干燥即得二维碳化物负载金属单质纳米粉体。
[0006]进一步地，所述二维碳化物为Ti3C2、Ti2C或V2C。
[0007]金属盐水溶液中的金属盐为硝酸银、氯金酸、氯铂酸、氯化钯、硝酸钯、氯化铑、硝酸铑、氯化钌、硝酸钌、氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、氯化钴、硝酸钴、乙酸钴、硫酸钴、氯化镍、硝酸镍、硫酸镍、乙酸镍、氯化铜、硝酸铜、硫酸铜和乙酸铜中的至少一种，且金属盐水溶液的浓度为 0.0l-0.1mol/L。
[0008]还原剂水溶液中的还原剂为NaBH4、KBH4、LiBH4、水合肼和柠檬酸钠中的一种或两种以上的组合，且还原剂水溶液的浓度为0.05-0.lmol/L。
[0009 ]采用上述制备方法所制得的二维碳化物负载金属单质纳米粉体。
[0010]上述二维碳化物负载金属单质纳米粉体在光催化降解污水中有机污染物方面的应用。
[0011]本发明二维碳化物负载金属单质纳米粉体的制备方法不需要添加任何催化剂，且金属负载量可调，反应可在不同温度下进行，反应条件温和。本发明工艺方法简单、成本低廉、无需特殊工艺设备、方便高效、实现了金属单质纳米颗粒在MXene表面及层间的均勾负载，该方法可以负载多种金属单质纳米颗粒到MXene上，所制备的二维碳化物负载金属单质纳米粉体作为光催化剂在处理污水中有机污染物领域具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0012]图1为本发明实施例1制备的二维碳化物MXene负载单质Ag纳米粉体的场发射扫描电镜照片；
图2为本发明实施例1制备的二维碳化物MXene及其负载单质Ag纳米粉体的X射线衍射图谱；
图3为本发明实施例2制备的二维碳化物MXene负载单质Au纳米粉体的场发射扫描电镜照片；
图4为本发明实施例2制备的二维碳化物MXene及其负载单质Au纳米粉体的X射线衍射图谱；
图5为本发明实施例3制备的二维碳化物MXene负载单质Pd纳米粉体的场发射扫描电镜照片；
图6为本发明实施例3制备的二维碳化物MXene及其负载单质Pd纳米粉体的X射线衍射图谱；
图7为本发明制备的二维碳化物MXene负载金属纳米粉体的光催化性能测试结果，光催化降解效率采用紫外光照后亚甲基蓝平衡浓度(Ct)与光照前亚甲基蓝初始浓度(Co)比值的百分数表示。
【具体实施方式】
[0013]以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。
[0014]实施例1:
一种二维碳化物负载金属单质Ag纳米粉体的其制备方法，包括如下步骤:
(1)将5gMAX相Ti3AlC2粉末浸没在溶解有5g氟化锂的10mL 6M的盐酸溶液中，40°C温度下磁力搅拌48h，离心分离沉淀，经去离子水清洗至接近中性再采用无水乙醇清洗三遍，将沉淀在80°C温度下真空干燥12h，所得固体粉末即为二维碳化物；
(2)称取0.1g硝酸银溶解在50 mL去离子水中，室温搅匀;将0.5g二维碳化物固体粉末分散至上述硝酸银水溶液中制成共混溶液，搅拌均匀；
(3)在剧烈搅拌下将50mL0.lmol/L的NaBH4水溶液缓慢加入上述硝酸银和二维碳化物的共混溶液中，室温反应2h，反应结束后，将所得悬浊液离心，所得沉淀用去离子水洗涤三次，无水乙醇洗涤三次，真空80°C干燥12h，即得二维碳化物(即MXene)负载Ag单质纳米粉体，产物标记为A-1，图1为其场发射扫描电镜照片，可以看出，MXene表面负载的Ag纳米颗粒粒径为20-400nm;图2为其X射线衍射图谱，明显地出现了Ag单质的衍射峰。
[0015]实施例2:
一种二维碳化物负载金属单质Au纳米粉体的制备方法，包括如下步骤:
(1)将5gMAX相Ti3AlC2粉末浸没在溶解有5g氟化锂的10mL 6M的盐酸溶液中，40°C温度下磁力搅拌48h，离心分离沉淀，经去离子水清洗至接近中性再采用无水乙醇清洗三遍，将沉淀在80°C温度下真空干燥12h所得固体粉末即为二维碳化物；
(2)量取1mL0.01g/mL的氯金酸溶液分散在50 mL去离子水中，室温搅匀;将0.5g二维碳化物固体粉末分散至上述氯金酸水溶液中制成共混溶液，搅拌均匀；
(3)在剧烈搅拌下将50mL0.lmol/L的NaBH4水溶液缓慢加入上述氯金酸和二维碳化物的共混溶液中，室温反应2h，反应结束后，将悬浊液离心，所得沉淀用去离子水洗涤三次，无水乙醇洗涤三次，真空80 °C干燥12h，即得二维碳化物(即MXene )负载Au单质纳米粉体，产物标记为A-2，图3为其场发射扫描电镜照片，可以看出，MXene表面负载的Au纳米颗粒粒径为20-200nm;图4为其X射线衍射图谱，明显地出现了Au单质的衍射峰。
[0016]实施例3:
一种二维碳化物负载金属单质Pd纳米粉体的制备方法，包括如下步骤:
(1)将5gMAX相Ti3AlC2粉末浸没在溶解有5g氟化锂的10mL 6M的盐酸溶液中，40°C温度下磁力搅拌48h，离心分离沉淀，经去离子水清洗至接近中性再采用无水乙醇清洗三遍，将沉淀在80°C温度下真空干燥12h所得固体粉末即为二维碳化物；
(2)量取1mL0.01g/mL的氯化钯溶液分散在50 mL去离子水中，室温搅匀;将0.5g二维碳化物固体粉末分散至上述氯化钯水溶液中制成共混溶液，搅拌均匀；
(3)在剧烈搅拌下将50mL0.lmol/L的NaBH4水溶液缓慢加入上述氯化钯和二维碳化物的共混溶液中，室温反应2h，反应结束后，将悬浊液离心，所得沉淀用去离子水洗涤三次，无水乙醇洗涤三次，真空80°C干燥12h，即得二维碳化物(即MXene)负载Pd单质纳米粉体，产物标记为A-3，图5为其场发射扫描电镜照片，可以看出，MXene表面负载的Pd纳米颗粒粒径为10-200nm;图6为其X射线衍射图谱，明显地出现了Pd单质的衍射峰。
[0017]二维碳化物负载金属单质纳米粉体在光催化降解有机染料方面的应用:
配制10mg/L的亚甲基蓝(MB)溶液，分别取10mg所制备的二维碳化物、实施例1至3二维碳化物(即MXene)负载金属单质纳米粉体，分别分散在10mL MB溶液中，避光条件下磁力搅拌30min使之平衡吸附，然后将溶液置于光催化装置下进行反应，每隔5min取样离心去除催化剂，随后采用紫外可见分光光度计进行测试。测试结果如图7所示，MXene负载Ag纳米粒作为光催化剂在紫外光照15mi η后即可使亚甲基蓝降解90%以上，负载Au和Pd的为80%和60%，即MXene负载了金属单质纳米粒后的光催化性明显比纯MXene具有更高的光催化效率。
[0018]最后要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进润饰等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种二维碳化物负载金属单质纳米粉体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)将MAX相陶瓷粉末浸没在溶解有氟化锂的盐酸溶液中，搅拌，离心分离，依次用去离子水和乙醇清洗，干燥后所得固体粉末即为二维碳化物； (2)将二维碳化物溶于金属盐水溶液中制成共混溶液，二维碳化物在共混溶液中的浓度为8?10g/L; (3)搅拌下将还原剂水溶液加入到上述共混溶液中，还原剂水溶液与共混溶液的体积比为1:(1-1.2)，室温反应0.5-2h，反应结束后，将所得悬浊液离心，所得固体沉淀洗涤、干燥即得二维碳化物负载金属单质纳米粉体。2.根据权利要求1所述的二维碳化物负载金属单质纳米粉体的制备方法，其特征在于，所述二维碳化物为Ti3C2、Ti2C或V2C。3.根据权利要求1所述的二维碳化物负载金属单质纳米粉体的制备方法，其特征在于，金属盐水溶液中的金属盐为硝酸银、氯金酸、氯铂酸、氯化钯、硝酸钯、氯化铑、硝酸铑、氯化钌、硝酸钌、氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、氯化钴、硝酸钴、乙酸钴、硫酸钴、氯化镍、硝酸镍、硫酸镍、乙酸镍、氯化铜、硝酸铜、硫酸铜和乙酸铜中的至少一种，且金属盐水溶液的浓度为0.01-0.lmol/Lo4.根据权利要求1所述的二维碳化物负载金属单质纳米粉体的制备方法，其特征在于，还原剂水溶液中的还原剂为NaBH4、KBH4、LiBH4、水合肼和柠檬酸钠中的一种或两种以上的组合，其中还原剂水溶液的浓度为0.05-0.1moI/L。5.采用权利要求1至4任一所述的制备方法所制得的二维碳化物负载金属单质纳米粉体。6.权利要求5所述的二维碳化物负载金属单质纳米粉体作为光催化剂在光催化降解污水中有机污染物方面的应用。
【文档编号】C02F1/30GK105854913SQ201610212655
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】王李波, 张恒, 申长洁, 周爱国, 胡前库, 曹新鑫
【申请人】河南理工大学