[发明专利]一种在碳化钛表面负载单原子铁系金属的制备方法及其应用

说明书

本发明公开一种在碳化钛表面负载单原子铁系金属的制备方法及其应用。本发明以酸刻蚀的方法制备Tisubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;纳米片，在室温下，利用纳米片中丰富的钛缺陷和高还原能力，通过同步自还原稳定过程将铁系金属原子Fe、Co和Ni负载到Tisubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;纳米片上，制备出三种铁系金属原子负载的Tisubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;材料，即Fe/Co/Ni‑TC。本发明的制备方法简单、通用、成本低、能耗低，所制备的光催化材料具有较强的光吸收能力和较大的比表面积，首次应用于光催化水分解产氢，表现出较好的光催化活性和较高稳定性，且催化活性比传统贵金属Pt纳米粒子负载的Tisubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;材料即Pt‑NPs/TC高出6倍以上，在新能源开发领域具有较高的科学意义和应用价值。

技术领域

本发明涉及单原子催化材料，特别涉及在碳化钛(Ti₃C₂)表面负载单原子铁系金属的制备方法及其应用。

背景技术

太阳能是公认的清洁、储量巨大的可再生能源，且非常适合大规模利用。光催化分解水制氢技术，可将太阳能转化成清洁的氢能，是一种具有广阔应用前景的太阳能利用技术，开发廉价、高效、稳定的光催化剂是该技术工业化的关键。

MXenes材料是一类二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化合物家族，尤以碳化钛(Ti₃C₂)为代表，近年来已成为能源储存和转化研究领域的前沿热点材料。Ti₃C₂具有优异的导电性、稳定性和亲水性等特性，在超级电容器、锂电池、燃料电池和传感器等领域展现出广阔的应用前景。但在光催化分解水制氢领域，通常将其作为助催化剂与TiO₂，CdS，g-C₃N₄等半导体复合，提升它们的光催化性能。以Ti₃C₂自身为光催化剂，研究其自身的光催化分解水性能的报道较少。因此，开发Ti₃C₂自身在光催化分解水领域的应用具有重要的研究意义。

贵金属Pt是光催化分解水制氢最常用的助催化剂，因价格昂贵，难以实现工业化应用，因此，迫切需要开发高活性的非贵金属替代Pt助催化剂。非贵金属的单原子催化剂(SACs)，金属单原子以单分散的形式负载于载体上，在催化反应中可充分参与反应，利用效率接近100％，将其用于光催化剂中，可使光生载流子高效分离，在替代贵金属Pt助催化剂上，极具开发前景。然而金属单原子在合成和催化过程中易团聚、稳定性差且制备成本高，都是亟待解决的问题。因此，开发高活性、制备方法简单、性能稳定的非贵金属单原子催化剂具有重要的研究价值。

综上可知，研发一种高效、廉价、性能稳定、制备方法简单通用的非贵金属单原子负载的Ti₃C₂光催化剂，具有重要的科学意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、能耗低、制备工艺简单的在碳化钛(Ti₃C₂)表面负载单原子铁系金属的制备方法及其应用。

本发明的技术方案如下：

一种在碳化钛(Ti₃C₂)表面负载单原子铁系金属的制备方法，以Ti₃C₂材料为载体，利用其丰富的钛缺陷和高还原能力，通过同步自还原稳定过程将铁系金属原子Fe、Co和Ni负载到碳化钛纳米片上，制备出三种铁系金属原子负载的Ti₃C₂材料，即Fe/Co/Ni-TC，具体包括如下步骤：