一种氧化铌负载金属烯电催化剂的制备方法及其应用与流程

本发明属于材料制备与应用，具体涉及一种氧化铌负载金属烯电催化剂材料的制备方法及电催化的应用。

背景技术：

1、氧化铌(niobium oxide，nb2o5)是一种重要的铌化合物，具有多种应用。广泛用于电子器件(高介电常数的电介质)、光学涂层(氧化铌的高折射率和透明性)、电解电容器(高介电常数和稳定性)、催化剂载体(高表面积和化学稳定性)、锂离子电池、陶瓷和玻璃添加剂和高温材料(高熔点和稳定性)等。氧化铌由于其优异的电学和光学性质以及化学稳定性，在电子、光学、催化和材料领域中具有广泛的应用。

2、金属烯(met al l enes)材料作为一类新近出现的二维材料，受到了研究人员的高度关注。迄今为止，已经报道的金属烯大致可分为三类，即：主族金属烯，过渡金属烯以及合金金属烯。与石墨烯等二维材料类似，二维金属烯材料通常为厚度很薄的金属纳米片，具有高比表面积、丰富的缺陷位点、优异的导电性等特性。更重要的是，金属烯材料还可以暴露出大量不饱和金属位点，从而使其有望在各异相催化反应中展现出优异的催化性能。

3、因此，结合上述两种具有优异性能的材料，用于电催化反应已成为可能。改方法的挑战在于如何将氧化铌和金属烯结合，包括但不限于负载、掺杂、合金形式等。本发明在于利用负载的方式解决上述结合的问题，得到一种新型材料用于同时电催化阴极产双氧和阳极产臭氧反应。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述技术问题，本发明设计的目的在于提供一种氧化铌负载金属烯电催化剂材料的制备方法及电催化的应用。

2、本发明的一个目的在于提供一种氧化铌负载金属烯电催化剂的制备方法及电催化的应用，该方法分为三步，氧化铌分散在无水乙醇中，加入结构导向剂和表面活性剂以及金属烯前驱体，烘箱水热一步制备氧化铌负载金属烯电催化剂。所制备的粉末材料用于电催化阴极产双氧水和阳极产臭氧反应，具体的步骤为：

3、步骤1、将氧化铌分散在无水乙醇中，搅拌超声混合，得到均一的溶液；

4、步骤2、向上述均一的溶液中加入结构导向剂和表面活性剂，搅拌溶解得到混合溶液，再次加入金属烯前驱体，置于磁力搅拌台上搅拌混合均匀；

5、步骤3、将最终混合溶液倒入水热釜中，置于带旋转功能的烘箱中水热反应。反应结束后对溶液进行抽滤洗涤，真空干燥烘干即可得到氧化铌负载金属烯电催化剂。

6、进一步地，步骤1中m(氧化铌)∶v(无水乙醇)＝0.1-1∶1，其中质量单位为mg，体积单位为ml。

7、进一步地，步骤2中结构导向剂为甲醛、乙醛和苯甲醛中的一种。表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵和十二烷基硫醛钠中的一种。v(结构导向剂)∶m(表面活性剂)＝0.5-3∶12，其中质量单位为mg，体积单位为ml。

8、进一步地，步骤2中金属烯前驱体为乙酰丙酮钌、乙酰丙酮钯和乙酰丙酮铂中的一种，m(金属烯前驱体)：m(氧化铌)＝0.2-3：5。

9、进一步地，步骤3中带旋转杆的烘箱，旋转杆的转速设置为2-10rpm，优选为5rpm；温度设置为180-220℃，优选为200℃。

10、本发明的另一个目的在于通过上述方法制得的氧化铌负载金属烯电催化剂。

11、本发明的第三个目的在于氧化铌负载金属烯电催化剂作为催化剂在电催化氧化还原反应制备双氧水和电解水制备臭氧中的应用。具体应用方法为：电催化氧化还原反应制备双氧水应用。(1)配制催化剂浆料。2-6mg的催化剂粉末，分散于0.5-0.9ml的溶剂结构导向剂中，再加入0.1-0.5ml的杜邦5％的nafion溶液作为粘接剂，超声分散10-60min得到催化剂浆料。(2)制备工作电极。取催化剂浆料滴涂在rrde上作为工作电极，hg/hgo作为参比电极，铂丝作为对电极，rrde上铂区域作为环电极，进行四电极测试。(3)利用循环伏安法(cv)和线性扫描伏安法(lsv)进行测试，公式转换即可得到双氧水的选择性。

12、进一步地，氧化铌负载金属烯电催化剂作为催化剂在电解水制备臭氧应用，具体应用方法为：(1)制备工作电极。取5-15mg的催化剂粉末，分散于0.5-0.9ml的溶剂结构导向剂中，再加入0.1-0.5ml杜邦5％的nafion溶液作为粘接剂，超声分散10-30min得到催化剂浆料。催化剂浆料全部滴涂至钛纤维毡上即可制得工作电极。(2)三电极体系。在密封的单电解槽中放入电极夹夹住的工作电极、ag/agcl参比电极和铂片对电极，连接电化学工作站相应的线路。(3)电解水产臭氧。采用恒电压法电解制备臭氧，其中产出的气体通过一台2b检测仪器即可得到气态臭氧的浓度。

13、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

14、1)本发明制备的一种氧化铌负载金属烯电催化剂，只采用一步水热法即可得到氧化铌负载金属烯的催化剂材料。制备条件简单，易于放大，工艺环保，对环境无污染，利于可持续发展。并且首次将具有优异电学和光学性质以及化学稳定性的氧化铌材料与新型二维金属烯材料结合，制备出氧化铌为载体，金属烯为活性中心的电催化剂。制备的粉末催化剂易于成型制备，具有较好的机械强度，能够推动商业化应用。

15、2)本发明的氧化铌负载金属烯电催化剂被用于电催化阴极产双氧水和电催化阳极电解水产臭氧反应，是一种具有双功能的电催化材料。能够兼顾阴阳两极反应的不同，在具有高选择性氧还原产双氧水的同时又是一种具有良好臭氧性能的非铅阳极催化剂。这样的材料能够一步满足阴阳两极的需求，达到高效绿色电催化的目标。经研究，电催化阴极产双氧水的选择性高达95％，阳极臭氧的浓度为达4000ppb(3h测试稳定)，法拉第效率为20％，这表明本发明制备的氧化铌负载金属烯电催化剂同时具有双氧水和臭氧的良好性能。该材料能够有望在后续的水处理等方面得到应用。

技术特征：

1.一种氧化铌负载金属烯电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种氧化铌负载金属烯电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中氧化铌与无水乙醇的比例具体为：m(氧化铌)∶v(无水乙醇)＝0.1-1mg∶1ml。

3.如权利要求1所述的一种氧化铌负载金属烯电催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中结构导向剂为甲醛、乙醛或苯甲醛；表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵或十二烷基硫酸钠中；结构导向剂和表面活性剂的比例具体为：v(结构导向剂)∶m(表面活性剂)＝0.5-3mg∶12l。

4.如权利要求1所述的一种氧化铌负载金属烯电催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中金属烯前驱体为乙酰丙酮钌、乙酰丙酮钯或乙酰丙酮铂，所述金属烯前驱体和氧化铌的比例具体为：m(金属烯前驱体)∶m(氧化铌)＝0.2-3∶5。

5.如权利要求1所述的一种氧化铌负载金属烯电催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中带旋转杆的烘箱，旋转杆的转速设置为2-10rpm，温度设置为180-220℃。

6.如权利要求1-5任一所述方法制得的氧化铌负载金属烯电催化剂在电催化氧化还原反应制备双氧水的应用，其特征在于，包括如下步骤：

7.如权利要求1-5任一所述方法制得的氧化铌负载金属烯电催化剂在电解水制备臭氧中的应用，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结本发明公开了一种氧化铌负载金属烯电催化剂的制备方法，该方法分为三步，氧化铌分散在无水乙醇中，加入分散剂和表面活性剂以及金属烯前驱体，烘箱水热一步制备氧化铌负载金属烯电催化剂。最后将所制备的粉末材料用于电催化阴极产双氧水和阳极产臭氧反应。本发明制备的氧化铌负载金属烯电催化剂利用金属烯前驱体进行负载，得到二维片状金属烯负载于载体氧化铌上的负载型催化剂，通过二维形貌的调控控制活性中心的暴露程度，进而影响阴极双氧水反应中中间体的吸附和脱附性能，以及影响阳极臭氧反应中的五元环的形成，最终得到了具有双功能电催化阴阳极产双氧水和臭氧的材料。技术研发人员：王建国,包志康,彭小革受保护的技术使用者：德清县浙工大莫干山研究院技术研发日：技术公布日：2024/6/18