掺杂MoSe2的Ti3C2MXene复合材料及其制备方法和应用

本发明属于纳米复合材料，具体涉及一种掺杂mose2的ti3c2mxene复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、氨(nh3)作为世界上不可或缺的大量生产的化学品，不仅对塑料，纺织工业，农业种植和工业制造等领域至关重要，而且被认为是未来颇具有潜力的无碳能源载体和储存中间体。然而，合成nh3的能源密集型工艺过程限制了它作为可再生能源密集型燃料的前景。nh3的工业合成主要依赖于极端反应条件下传统的haber-bosch(h-b)工艺，该工艺消耗大量能源并产生温室气体。因此，迫切需要制定一项可持续的、环境友善的合成氨生产战略。现代合成nh3的方法，包括生物固氮，光催化固氮和电催化固氮。这些方法中，在环境条件下利用可再生电力驱动的电催化氮还原反应(nrr)被认为是一项可持续发展技术。

2、然而，由于电催化氮还原反应(nrr)缺乏能够有效吸附和解吸n2分子的电催化剂，目前的nrr效率远低于h-b过程。此外，nrr的另一个问题是竞争性的析氢反应(her)限制了nrr的反应动力学。因此，人们对于开发高活性和稳定的催化剂产生了广泛的兴趣，这些催化剂可以加速nrr动力学并抑制寄生her。尽管贵金属基催化剂，如ru、pd和au，在nrr中表现出优异的电催化活性，但其高昂的成本和稀缺性严重限制了它们的应用。为了解决这个问题，人们已经对各种非贵金属催化材料进行了探索。

3、基于二维(2d)材料的电催化剂，因其独特的层状结构、优异的导电性、柔韧性和独特的物理化学性质而受到了广泛的关注。mxene的化学式可以记录为mn+1xntx，其中“m”代表过渡金属元素(如v、mo和ti)，“x”是c、n或cn，而tx代表表面官能团(如-o、-f和-oh)，n是原子序数(n＝1、2或3)。作为一种具有高电导率和大比表面积的二维(2d)材料，ti3c2txmxene已经广泛应用于电化学领域。此外，理论计算和实验结果也证明了ti3c2txmxene是一种高度适用于nrr的电催化剂。然而，纯mxene的nh3产率和法拉第效率(fe)仍然不令人满意。因此，合理设计和优化电催化剂以促进nrr反应动力学是提高电催化nrr效率的关键。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种掺杂mose2的ti3c2mxene复合材料及其制备方法和应用。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、本发明第一方面提供了一种掺杂mose2的ti3c2mxene复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)ti3alc2溶解于hf溶液中，搅拌，离心得到ti3c2mxene；

5、(2)将na2moo4、se粉、nabh4和步骤(1)所述ti3c2mxene混合并溶解在水中，搅拌，然后转移到水热反应釜中进行水热反应，水热反应后离心得到所述掺杂mose2的ti3c2mxene复合材料。

6、mose2纳米材料因其独特的结构、经济可行性、易于制备、化学稳定性和多功能性，作为有前途的nrr催化剂而受到了广泛的关注。然而，由于2d纳米结构具有高表面能，mose2纳米片通常会产生团聚现象，从而影响nrr反应的催化活性。解决这一问题的方法是将mose2与2d导电衬底材料进行耦合，这不仅弥补了纯mose2先天的缺陷，还增强其导电性和稳定性，而ti3c2mxene的高金属导电性和大的比表面积使其成为锚定其他活性材料的理想基底。

7、优选地，步骤(1)中，所述ti3alc2与hf溶液的质量体积比为1:(5-15)g/ml；进一步优选地，步骤(1)中，所述ti3alc2与hf溶液的质量体积比为1:(8-12)g/ml；在本发明的一些具体实施例中，hf溶液的浓度为40wt％。

8、优选地，步骤(1)中，所述搅拌的时间为20-28h；进一步优选地，步骤(1)中，所述搅拌的时间为22-26h；再进一步优选地，步骤(1)中，所述搅拌的时间为24h；搅拌在室温下进行。

9、优选地，步骤(2)中，所述na2moo4、se粉和nabh4的摩尔质量比为1：(1.8-2.2)：(3.8-4.2)；进一步优选地，步骤(2)中，所述na2moo4、se粉和nabh4的摩尔质量比为1：2：4。

10、优选地，步骤(2)中，所述se粉与所述ti3c2mxene的质量比为1：(1-3)；进一步优选地，步骤(2)中，所述se粉与所述ti3c2mxene的质量比为1：(1.5-2.5)。

11、优选地，步骤(2)中，所述水热反应的温度为160-200℃；进一步优选地，步骤(2)中，所述水热反应的温度为170-190℃；再进一步优选地，步骤(2)中，所述水热反应的温度为180℃。

12、优选地，步骤(2)中，所述水热反应的时间为20-28h；进一步优选地，步骤(2)中，所述水热反应的时间为22-26h；再进一步优选地，步骤(2)中，所述水热反应的时间为24h。

13、优选地，步骤(2)中，所述水热反应后离心得到沉淀物，然后使用去离子水和绝对乙醇洗涤，最后真空干燥得到所述掺杂mose2的ti3c2mxene复合材料；进一步优选地，所述真空干燥的温度为50-70℃。

14、本发明第二方面提供了一种掺杂mose2的ti3c2mxene复合材料，采用所述的制备方法制备得到。

15、本发明第三方面提供了所述掺杂mose2的ti3c2mxene复合材料在电催化氮还原中的应用。

16、本发明第四方面提供了一种电催化氮还原装置，包括电催化阴极，所述电催化阴极表面负载所述掺杂mose2的ti3c2mxene复合材料；所述掺杂mose2的ti3c2mxene复合材料的负载量为0.2-0.3mg/cm2。

17、优选地，所述掺杂mose2的ti3c2mxene复合材料的负载量为0.22-0.28mg/cm2；进一步优选地，所述掺杂mose2的ti3c2mxene复合材料的负载量为0.25mg/cm2。

18、优选地，所述电催化阴极的制备方法如下：将所述掺杂mose2的ti3c2mxene复合材料、nafion溶液与乙醇和水混合，超声分散后涂布在碳布上，得到所述电催化阴极。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、通过将mose2纳米片锚定在ti3c2mxene基底上，成功制备出mose2/ti3c2复合催化剂，相比于单组份mose2和ti3c2mxene，所制备的mose2/ti3c2复合材料表现出优异的nrr活性，其中在-0.55v电位下的平均nh3产率为60.87μg·h-1·mg-1，且-0.25v电位下能达到9.3％的最高法拉第效率，优于大多数先前报道的nrr催化剂。优异的nrr活性归功于多功能mxene基底，它可以有效地缓解mose2纳米片的聚集并提高其对nrr的催化活性。此外，所制备的mose2/ti3c2复合材料在不形成n2h4的情况下具有优异的电化学选择性和稳定性。密度泛函理论(dft)计算表明，mose2纳米片和ti3c2之间的电荷传输以及se空位的存在可能作为催化中间体的活性位点和电子反捐赠中心，这不仅可以有效地促进n2的活化，还能降低决速步骤(*nh到*nh2)的热力学能垒，从而提高了nrr反应效率。