一种原子级厚度的二维铋纳米片材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于二维材料制备技术领域，具体涉及一种原子级厚度的二维铋纳米片材料及其制备方法和应用，包括：将化学抛光的铜片置于预先配制的沉积溶液中，采用循环伏安法，在铜片表面预沉积得到铋纳米颗粒，沉积溶液中包含铋离子和溴离子，溴离子吸附在预沉积的铋纳米颗粒表面以作为结构诱导剂；循环伏安法替换为恒电位法，采用恒电位法继续还原沉积溶液中的铋离子，得到尺寸比铋纳米颗粒小的铋颗粒，结构诱导剂促使铋颗粒定向聚集，形成原子级厚度的二维铋纳米片。本发明专利技术方法工艺简便可控，污染小，不需要高真空和高温条件，制备获得的原子级厚度的二维铋纳米片具有良好的电催化还原CO2产甲酸的性能。产甲酸的性能。产甲酸的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种原子级厚度的二维铋纳米片材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于二维材料制备
，更具体地，涉及一种原子级厚度的二维铋纳米片材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]通过电催化CO2还原反应将CO2转化为有价值的燃料是一项很有前途的技术，可以缓解全球气候危机和能源消耗。甲酸盐是一种常见的CO2还原产品，具有很高的经济价值。金属基催化剂如Sn、In、Pd、Bi和Hg已被报道可有效地将CO2电催化转化为甲酸盐。铋基材料由于具有成本低、毒性小、析氢反应活性低等优点，被认为是很有前途的电催化还原CO2产甲酸的催化剂。然而，由于铋导电性能较差以及活性位点暴露有限，许多报道的铋基材料电催化还原CO2效率较低。铋是一种与石墨烯晶体结构相似的层状材料，易产生大量缺陷和不饱和位点。因此，制备铋纳米片是提高电催化还原CO2性能的重要途径。此前铋纳米片的制备方法主要有水热法、电还原预合成纳米片模板等方法，但是上述方法往往需要高真空和高温条件，制备流程复杂，污染大，所制得的铋纳米片往往达不到原子级厚度，限制了其电催化还原CO2产甲酸效率。
[0003]专利申请号为202010549277.5的专利技术申请公开了一种纳米片状铋材料的制备方法，其通过将水热法合成的纳米棒状硫化铋经电化学还原法制备得到纳米片状铋材料，解决了亚表面溶剂氧活性成分浓度不高的问题,实现了良好的CO2电催化还原效率。但是其制备得到的纳米片状铋材料厚度为20
‑
50nm,远远达不到原子级厚度，限制了其电催化还原效率的提升。此外，制备过程采用水热法，需要高温的条件，且样品制备周期较长。
[0004]专利申请号为201711431413.5的专利技术申请公开了一种铋烯纳米片的制备方法，其将铋粉分散在有机溶剂中，得到分散液，之后进行多次超声，并将超声液在2000
‑
4000rpm下进行超低速离心，收集上清液，然后对所述上清液在5000
‑
7000rpm下进行低速离心，收集沉淀，得到尺寸可控的单分散性好的铋烯纳米片。该方法工艺简单易操作、重现性好，但是其使用了较多有机溶剂，制备过程污染较大，且制备流程较多。
[0005]因此，需要专利技术一种方法简单、污染小、制备周期短、不需要高真空和高温条件的制备方法，获得原子级厚度的二维铋纳米片材料以提高电催化还原CO2效率。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种原子级厚度的二维铋纳米片材料及其制备方法和应用，其目的在于提供一种方法简便且污染小、制备周期短的原子级厚度二维铋纳米片制备方法，以高效的还原CO2。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种原子级厚度的二维铋纳米片制备方法，包括：
[0008]将化学抛光的铜片置于预先配制的沉积溶液中，采用循环伏安法，在所述铜片表面预沉积得到铋纳米颗粒，所述沉积溶液中包含铋离子和溴离子，所述溴离子吸附在预沉
积的铋纳米颗粒表面以作为结构诱导剂；
[0009]将所述循环伏安法替换为恒电位法，采用恒电位法继续还原沉积溶液中的铋离子，得到尺寸比所述铋纳米颗粒小的铋颗粒，所述结构诱导剂促使所述铋颗粒定向聚集，形成原子级厚度的二维铋纳米片。
[0010]进一步，所述化学抛光的铜片的表面镜面光滑。
[0011]进一步，所述沉积溶液含有如下成分：溴化钾,盐酸和五水硝酸铋。
[0012]进一步，所述溴化钾的浓度为0.05
‑
0.45mol/L，五水硝酸铋浓度为0.005
‑
0.05mol/L，盐酸浓度为0.5
‑
1.5mol/L。
[0013]进一步，所述沉积过程在单室电解池中进行，将化学抛光的铜片作为工作电极，铂丝作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极；
[0014]所述循环伏安法设置的起始电位为0.87V,最低电位为
‑
1.13V，最高电位为0.87V，终止电位为0.87V，扫速为0.1V/s,初始为负扫，扫描圈数为一圈。
[0015]进一步，所述恒定电位法施加电位为
‑
0.3V,沉积时间为50
‑
300s。
[0016]本专利技术还提供一种原子级厚度的二维铋纳米片材料，采用如上所述的二维铋纳米片制备方法制备得到。
[0017]本专利技术还提供一种还原CO2产甲酸的方法，采用如上所述的一种原子级厚度的二维铋纳米片材料，电催化还原CO2产甲酸。
[0018]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0019](1)本专利技术的制备方法包括如下步骤：首先将化学抛光的铜片置入预先配制的电沉积溶液中，采用循环伏安法在铜片表面预沉积铋纳米颗粒；然后采用恒电位法在已生长有铋纳米颗粒的铜片表面沉积得到原子级厚度的二维铋纳米片。本专利技术方法工艺简便可控，污染小，不需要高真空和高温条件，制备获得的原子级厚度的二维铋纳米片具有良好的电催化还原CO2产甲酸的性能。
[0020](2)本专利技术方法由于循环伏安法本身正扫、负扫的循环扫描特性，最终得到的铋纳米颗粒在铜片表面分布均匀，且粒径分布在200
‑
500nm，粒径分布相对均匀。使得最终得到的二维铋纳米片在铜片上的分布、尺寸也是比较均匀。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例提供的一种原子级厚度的二维铋纳米片制备方法原理图；
[0022]图2为本专利技术示例1制备的沉积有原子级厚度的二维铋纳米片铜片的XRD测试谱图；
[0023]图3为示例1中制备的二维铋纳米片催化剂的SEM图像；
[0024]图4为示例1中制备的二维铋纳米片催化剂的形貌图，其中，a为AFM图像，b为划线区域样品高度分布图；
[0025]图5为示例1中制备的二维铋纳米片催化剂的TEM图像，其中，a为铋纳米片低分辨TEM图像，b为铋纳米片高分辨TEM图像；
[0026]图6为示例1中制备的二维铋纳米片催化剂在Ar饱和以及CO2饱和的0.5M KHCO3溶液中的LSV极化曲线；
[0027]图7为示例1中制备的二维铋纳米片催化剂在CO2饱和的0.5M KHCO3溶液中在相对
于可逆氢电极的
‑
0.68至
‑
1.13V的电位范围内的甲酸盐的法拉第效率图；
[0028]图8为示例1中制备的二维铋纳米片催化剂在CO2饱和的0.5M KHCO3溶液中在相对于可逆氢电极的
‑
0.83V电位下反应24小时的i
‑
t曲线图以及不同时间点甲酸盐的法拉第效率图。
具体实施方式
[0029]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原子级厚度的二维铋纳米片制备方法，其特征在于，包括：将化学抛光的铜片置于预先配制的沉积溶液中，采用循环伏安法，在所述铜片表面预沉积得到铋纳米颗粒，所述沉积溶液中包含铋离子和溴离子，所述溴离子吸附在预沉积的铋纳米颗粒表面以作为结构诱导剂；将所述循环伏安法替换为恒电位法，采用恒电位法继续还原沉积溶液中的铋离子，得到尺寸比所述铋纳米颗粒小的铋颗粒，所述结构诱导剂促使所述铋颗粒定向聚集，形成原子级厚度的二维铋纳米片。2.根据权利要求1所述的二维铋纳米片制备方法，其特征在于，所述化学抛光的铜片的表面镜面光滑。3.根据权利要求1所述的二维铋纳米片制备方法，其特征在于，所述沉积溶液含有如下成分：溴化钾,盐酸和五水硝酸铋。4.根据权利要求3所述的二维铋纳米片制备方法，其特征在于，所述溴化钾的浓度为0.05
‑
0.45mol/L，五水硝酸铋浓度为0.005
‑
0.05mol/L，盐...

【专利技术属性】
技术研发人员：申燕，潘杰，王鸣魁，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：