[发明专利]一种三元异质结构FePc/Ti3

说明书

本发明为一种三元异质结构FePc/Tisubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;/g‑Csubgt;3/subgt;Nsubgt;4/subgt;复合材料的制备方法与应用。该方法先制备了单层Tisubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;，将它与FePC结合形成复合材料，再将他与g‑Csubgt;3/subgt;Nsubgt;4/subgt;结合形成的一种三元异质结构FePc/Ti3C2/g‑C3N4复合材料。本发明将其应用于氧气还原反应(ORR),且通过将FePc、Tisubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;和g‑Csubgt;3/subgt;Nsubgt;4/subgt;利用分子间作用力结合，使得他们的优点更突出，而缺点得以互相补足，得到了远超目前商用铂碳的的优异氧还原活性，应用前景广阔。

技术领域

本发明属于Ti₃C₂复合材料技术领域，尤其涉及单层Ti₃C₂的复合材料，更具体的涉及一种三元异质结构FePc/Ti₃C₂/g-C₃N₄复合材料的制备方法和用于氧气还原反应的应用。

背景技术

随着全球能源危机的到来以及化石燃料燃烧引起的环境污染与温室效应的愈发严重，开发清洁能源迫在眉睫。人们越来越关注可持续能源的储存与转换，而燃料电池作为目前最有前途的清洁能源转换器之一具有很高的研究价值。在燃料电池中，燃料在阳极被氧化，释放的电子通过外部电路转移到阴极，在阴极氧气被还原。但是由于氧气还原为四电子反应，动力学非常缓慢，极大限制了燃料电池的能量输出效率。所以ORR对于燃料电池来说是一个非常重要的反应。众所周知，目前最好的ORR催化剂是Pt基类催化剂。虽然铂基类催化剂具有最突出的催化活性，但是其不但稳定性较差而且铂金稀缺、储量较少、价格昂贵。因此开发一种高效的高稳定性的非铂基类催化剂是很有必要的。

近年来，一种新型的2D材料Ti₃C₂-过渡金属碳化物/氮化物，具有独特的结构和电子性能，引起了研究者的广泛关注。Ti₃C₂作为一种新兴的二维材料，他们表现出高导电性，表面亲水性和良好的稳定性。此外，作为一类具有超低功函数和电负性表面的材料，Ti₃C₂是可能改变催化剂活性中心的亲电性的潜在支持材料。从而调节多组分催化剂体系中的催化性能，可应用于多种其他清洁能源反应，以实现可持续的能源未来。Ti₃C₂材料由于开发出来时间较短，且目前大部分研究是将其作为电极材料应用于储能领域，在电催化剂领域的应用还处于初级阶段。因此，研究它们的结构以及电子特性从而设计新型高效电催化剂具有巨大的前景。

自1964年首次发现钴酞菁(CoPC)具有氧还原催化活性之后，研究人员发现大量的过渡金属大环化合物具有氧还原催化活性，其中最具代表性的是铁酞菁(FePC)。过渡金属大环化合物是典型的金属-氮-碳(M-N₄-C)催化剂，中心金属原子与周围氮原子形成的M-N4结构通常是这类催化剂的活性中心。但是过渡金属大环化合物在空气中易氧化，从而发生严重的聚集现象，降低了分子的导电性和催化活性。

氮化碳作为一种非金属半导体材料，具备5种同素异形体，石墨相氮化碳(g-C₃N₄)是最稳定的一种晶型。g-C₃N₄具有优异的物理化学稳定性和热稳定性，在温度升高至750℃时g-C₃N₄才会完全分解，不会溶解于酸碱或有机溶剂中。经济绿色、易于合成、同时其表面具有一定的缺陷、富含-NH2基团及PAI共辄体系，便于修饰，从而可控调节g-C₃N₄的电子结构。但对于g-C₃N₄应用于氧气还原反应来说，其导电性低是限制他的最大缺点。

发明内容