一种纳米片状Bi-Bi2O3电催化剂的制备方法及应用技术

一种纳米片状Bi

【技术实现步骤摘要】
一种纳米片状Bi
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Bi2O3电催化剂的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于电催化领域，具体涉及一种纳米片状电催化剂的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]电催化二氧化碳(CO2)还原是近年来兴起的一种新型CO2资源化处理技术，在常温常压下，借助电能可以实现CO2向高经济价值化学品和燃料的转化，如一氧化碳、甲酸、甲醇、乙烯、乙醇、丙酮等等。在风能、太阳能等可再生能源的发展使得用电成本逐渐下降以及具有低成本高性能催化剂研发的背景下，电催化CO2还原技术展现出了良好的工业应用前景。前期研究表明，在诸多还原产物中，一氧化碳和甲酸的经济可实施性最高，这主要是因为多碳产物涉及多电子转移步骤，合成过程复杂，产物多样，难以获得高纯度的单一产物，造成了产物分离困难，且能耗成本极高，经济价值相对较低。甲酸作为一种液态含单个碳原子(C1)产物，对于电催化CO2还原制甲酸的催化剂的设计，以Bi、Sn、In等金属单原子、合金、氧化物、杂化物、碳复合材料为主，大部分催化剂的合成涉及到高温碳化和水热过程，能耗较高，材料制备周期长，难以在工业应用中实现规模化制备。开发兼具低成本、可快速合成、易于大规模合成与高催化活性、高选择性和长期稳定性的电催化剂是推动电催化CO2还原技术实现工业化应用的关键。

技术实现思路

[0003]为了实现上述专利技术目的，解决现有技术中所存在的问题，本专利技术提出了一种低成本、操作简单、低能耗且可规模化制备的纳米片状Bi
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Bi2O3电催化剂的合成方法，并将其应用于电化学CO2还原制甲酸盐领域；以满足工业化发展的基本需求：法拉第效率已经达到90％以上，在流通电解池中的电流密度达到400mA cm
‑2。
[0004]本专利技术采取的技术方案包括以下步骤：
[0005]一种纳米片状Bi
‑
Bi2O3电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1、以金属铋盐作为前驱体，将其溶解到水溶液中或者甲醇溶液中，同时加入酸调节pH使得溶液变得澄清，即铋盐全部溶解。其中，pH的调节范围通常在0.1～2之间，溶液酸性越强，金属铋盐溶解的越多，后续可制备的催化剂量也更多。
[0007]步骤2、在上述溶液中加入铝箔、锌箔或者其他比铋更活泼的金属，基于铋离子与金属之间的置换反应，将铋从溶液中置换出来并在底部形成黑色沉淀。合成过程仅需要5～30min即可完成，过程中可利用搅拌强化离子传质与反应，并且有利于合成尺寸更小的纳米片催化剂。
[0008]步骤3、将上述黑色沉淀离心收集，然后在烘箱里进行干燥，获得最终纳米片状Bi
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Bi2O3电催化剂。将该催化剂进行表征，结果表明该Bi
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Bi2O3催化剂具有纳米片状结构，尺寸在500nm～2μm之间，纳米片厚度为1～10nm，其晶体结构由Bi和Bi2O3构成。
[0009]一种纳米片状Bi
‑
Bi2O3电催化剂的应用，将获得的材料制备成催化剂墨水并滴涂在碳纤维纸上作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，箔网作为对电极，0.1M KHCO3作为电
解液，在H型电解池中进行CV活化，电压区间为
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0.6～
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1.8V(vs.Ag/AgCl)，扫描10
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20min，完成对Bi
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Bi2O3的活化进而直接用于电催化二氧化碳还原制甲酸及其耦合甘油氧化的无隔膜共产甲酸盐。其后在CO2气氛下进行极化曲线的测试，对比氮气气氛下的极化曲线，电流密度明显增加。随后利用电化学工作站进行恒电位测试，并利用气相色谱对产物进行分析。
[0010]所用的铝箔需进行预处理，除去表面的氧化膜，同时铝箔也可以更换成锌箔以及其他比铋更活泼的金属。
[0011]该电催化剂对电催化CO2还原制甲酸具有良好的催化活性，甲酸盐作为核心产物，其法拉第效率在
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1.0V和
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1.2V之间均超过了90％，且在
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1.0V电位下最高的甲酸法拉第效率达到了92.4％。此外，该电催化剂还具有出色的稳定性，在连续25h的稳定性测试中，其催化性能没有明显衰减。
[0012]本专利技术的优势是：该方法利用金属的氧化还原特性，在常温常压下快速制备出具有均匀纳米片状结构的的Bi
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Bi2O3催化剂，合成方法简单快捷、无需高温高压、反应条件温和、成本低、适合规模化制备。同时，该催化剂对电催化CO2还原为甲酸盐表现出优异的催化活性和稳定性，甲酸盐作为核心产物，其法拉第效率在
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1.0V和
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1.2V之间均超过了90％，且在
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1.0V电位下最高的甲酸法拉第效率达到了92.4％。此外，该电催化剂还具有优异的稳定性，在连续25h的稳定性测试中，其催化性能未见明显衰减。考虑到H型电解池中CO2溶解度和扩散动力学限制，将该催化剂滴涂在气体扩散电极上，然后以1M KOH作为电解液，在流通型电解池中完成其电化学性能的测试，结果发现，Bi
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Bi2O3催化剂可以达到400mA cm
‑2的电流密度，并且仅需要
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0.92V的阴极电位，该催化活性优于当前报道的含贵金属、单原子在内的绝大多数催化剂，可望用于工业电催化CO2。
[0013]更重要的是，高电流密度和高法拉第效率使其在与甘油等小分子醇的电氧化的耦合中，可以与阳极共产一种产物
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甲酸盐，并且可以在无隔膜装置中实现工业化生产，这将为电催化CO2还原技术的发展提供了新的低成本路线，前景广阔。
[0014]本专利技术合成方法简单快速、成本低、可规模化制备，且具有出色的催化活性和稳定性好，可用于电催化CO2还原及其耦合甘油氧化的无隔膜共产甲酸盐工艺中，为CO2电还原的工业应用奠定催化剂保障。
附图说明
[0015]图1是Bi
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Bi2O3电催化剂扫描电镜图。
[0016]图2是Bi
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Bi2O3电催化剂XRD图。
[0017]图3是实施例2中电催化CO2的极化曲线。
[0018]图4是实施例2中不同电位下的法拉第效率。
[0019]图5是实施例2中电催化CO2在流通池中的极化曲线。
具体实施方式
[0020]下面结合实施例对本专利技术作进一步说明。
[0021]实施例1电催化剂的制备
[0022]一种纳米片状Bi
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Bi2O3电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0023]步骤1、以金属铋盐作为前驱体，将其溶解到去离子水中，同时加入酸调节pH使得
溶液变得澄清，即铋盐全部溶解。其中，pH的调节范围通常在0.1～2之间，溶液酸性越强，金属铋盐溶解的越多，后续可制备的催化剂量也更多，这里我们采用的是铋盐溶液的浓度为0.1mol/L。
[0024]步骤2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米片状Bi
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Bi2O3电催化剂的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：(1)将金属铋盐溶解到水或者甲醇中，同时加入酸调节pH值为0.1～2，使铋盐全部溶解，得到澄清的铋盐溶液；所述铋盐溶液的浓度范围为0.01～0.5mol/L(2)在铋盐溶液中加入比铋活泼的金属箔片，如铝箔和锌箔，搅拌反应5
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30min，利用原电池的氧化还原反应，实现对铋的还原并快速得到黑色沉淀；(3)将上述黑色沉淀离心收集，然后在烘箱里进行干燥，获得纳米片状Bi
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Bi2O3电催化剂。2.根据权利要求1所述的一种纳米片状Bi
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Bi2O3电催化剂的制备方法，其特征在于：所述比铋活泼的金属箔片为铝箔、锌箔。3.根据权利要求1所述的一种纳米片状Bi
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Bi2O3电催化剂的制备方法，其特征在于：所述Bi
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Bi2O3电催化剂具有纳米片状结构，尺寸在50...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱介山，杨琪，亓军，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：