磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料及其制备方法和应用

本发明涉及材料制备领域，具体地，涉及一种磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、为了解决能源和环境问题，氢燃料被认为是化石燃料的重要替代品。电化学水裂解被认为是一种很有前途的制氢策略，利用太阳能和风能，电化学水裂解过程涉及两个半反应：析氢反应(her)和析氧反应(oer)。然而，水裂解是一个热力学上升过程，oer和her都具有高过电位，这需要高效的电催化剂来显著降低过电位并加速反应速率。

2、目前，商用的ir-或ru基氧化物和pt基材料分别被认为是优良的oer催化剂和her催化剂。然而，贵金属的高成本和严重的稀缺性是其商业化的主要障碍，除了其在高浓度酸性或碱性电解质中长期运行下的稳定性较弱外，其他因素都是其商业化的主要障碍。因此，为了克服这些瓶颈，人们正在努力开发具有高效、稳定、经济高效、地球元素丰富的电催化剂，这是非常理想的。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服贵金属电催化剂虽然对催化析氧反应最有效，但其成本高且稀缺，不利于大规模利用的缺点，从而提供一种磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料及其制备方法和应用，该磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料为磷掺杂的二维结构铁酸钴均匀分布在三维结构的碳化钛修饰的泡沫镍表面，形成二维/三维多层结构，构建三维p-cofe2o4@mxene/nf导电网络结构可以有效提高mxene的电荷转移和气体疏散，避免了mxene中经常发生的重堆积现象导致其表面活性位点的利用不足的缺陷，提高了材料的催化活性，同时，该磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料制备方法采用的原材料及工艺设备简单、成本低，有利于大规模生产，有望产生良好的社会和经济效应，且在碱性环境下具有良好的催化电解水反应活性。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料，所述磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料的化学式为p-cofe2o4@mxene/nf，其中，

3、所述磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料的具有二维/三维多层结构。

4、第二方面，本发明提供了一种磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料的制备方法，所述制备方法为：

5、1)mxene/nf前驱体的制备：提供mxene水溶液，加入预处理后的泡沫镍，浸泡，干燥，重复浸泡干燥4-8次后，得到mxene/nf前驱体；

6、2)二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料的制备：在溶剂存在的条件下，将钴盐、铁盐、碱性物质与所述mxene/nf前驱体混合，进行水热反应，再在惰性气氛下，煅烧，得到二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料；

7、3)磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料的制备：在惰性气氛下，用磷源对所述二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料进行磷化。

8、第三方面，本发明提供了一种由第二方面所述的方法制备的磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料。

9、第四方面，本发明提供了一种第一方面或第三方面所述的磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料在电催化水裂解反应领域的应用。

10、通过上述技术方案，本发明的磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料(p-cofe2o4@mxene/nf)为了进一步提高cofe2o4的电催化性能，将异质结构构建和离子掺杂结合起来考虑，提出了通过结合掺杂的优势来改变cofe2o4和mxene的电子结构，设计和制造新型复合p-cofe2o4@mxene/nf杂化结构的思路，可以提高p-cofe2o4@mxene/nf的her和oer活性。通过设计合适的液相反应体系，以水为溶剂进行反应，其可以有效地减少二维片层结构纳米材料的团聚趋势，进一步通过控制次磷酸钠加入量的不同，可以看出磷掺杂并未明显改变其二维纳米片层结构。这种纳米片层结构能够提供了丰富的界面结构和三维多孔网络结构，这将促进电子传递能力和加速质量传递，从而提高材料的催化活性。

11、同时，本发明的磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料制备过程采用的原材料及工艺设备简单、成本低，首先，将预处理后泡沫镍(nf)浸泡在mxene溶液中，通过静电吸附原则合成mxene/nf，利用mxene/nf作为前驱体与钴盐、铁盐和碱性物质溶解混合均匀，进行温和的水热反应，得到cofe-ldh/mxene/nf复合纳米材料，再对二维纳米片层状结构的cofe-ldh/mxene/nf复合纳米材料在无氧氛围中进行低温煅烧，得到二维铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料cofe2o4@mxene/nf，采用低温磷化的方法，使其在磷蒸汽的作用下得到p-cofe2o4@mxene/nf复合纳米材料。

12、更进一步，本发明的磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料在作为电催化剂用于催化电解水水裂解反应，在碱性环境下具有良好的催化电解水反应活性，有利于大规模的利用和推广。

13、本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料，其特征在于，所述磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料的化学式为p-cofe2o4@mxene/nf，其中，

2.根据权利要求1所述的磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料，其特征在于，所述磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料的厚度为8-12nm。

3.一种磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，所述mxene水溶液的浓度为1-3mg/ml；

5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述的钴盐、铁盐的摩尔比为1：1-5，其中，钴盐以钴原子计，铁源以铁原子计；

6.根据权利要求3-5中任意一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述水热反应的条件包括：在密闭的条件下，温度为100-160℃，时间为8-14h；

7.根据权利要求3-6中任意一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，所述惰性气氛为氩气气氛和/或氮气气氛；

8.根据权利要求3-7中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述mxene的制备方法包括：将钛碳化铝加入到氢氟酸溶液中，搅拌，洗涤，干燥，得到mxene；

9.根据权利要求3-8中任意一项所述的制备方法制备得到的磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料。

10.根据权利要求1或2所述的磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料或权利要求9所述的磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料在电催化水裂解反应领域的应用。

技术总结本发明涉及材料制备领域，具体地，涉及一种磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料及其制备方法和应用，所述磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料的化学式为P‑CoFe<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;@MXene/NF，其中，所述磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料的具有二维/三维多层结构，构建三维P‑CoFe<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;@MXene/NF导电网络结构可以有效提高MXene的电荷转移和气体疏散，避免了MXene中经常发生的重堆积现象导致其表面活性位点的利用不足的缺陷，提高了材料的催化活性，同时，该磷掺杂二维结构铁酸钴/碳化钛/泡沫镍复合纳米材料制备方法采用的原材料及工艺设备简单、成本低，有利于大规模生产，有望产生良好的社会和经济效应，且在碱性环境下具有良好的催化电解水反应活性。技术研发人员：杜金艳,徐启迪,刘世纪,侯金瑞受保护的技术使用者：安徽师范大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17