一种铋/碳酸氧铋纳米片催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种铋/碳酸氧铋纳米片催化剂及其制备方法和应用，将硝酸铋、碳酸钠、聚乙烯吡咯烷酮固体依次放入乙二醇水溶液内，得到混合溶液A；调节混合溶液ApH至10

【技术实现步骤摘要】
一种铋/碳酸氧铋纳米片催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及催化剂制备领域，特别是一种铋/碳酸氧铋纳米片催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]化石燃料的大规模应用引起了二氧化碳的过量排放，造成大气中CO2浓度不断上升，严重威胁到环境和能源安全。进入21世纪，我们的世界仍在寻找策略，以克服与气候变化有关的挑战，以及对化石燃料等有限的自然资源的依赖。对CO2进行利用和转化是缓解这一严峻问题的有效途径。在可持续能源驱动下，将CO2通过电还原转化成多种具有高附加值的化学品，不仅可以缓解由CO2过量造成的各种不良影响，并且可以将可再生能源储存于更具价值的化学键中，因此电化学还原法成为一种极具前途的CO2转化方式。在不同种类的CO2还原产物中，液体产物(甲酸HCOOH和乙醇C2H6O等)的研究备受瞩目。一方面，液体状态的产物在存储和运输时更加方便，另一方面，它们通常具有高的能量密度，还可以作为燃料电池的原料。因此，电还原CO2制备液体产物这一过程，对于解除生产生活依附于化石燃料的现状以及满足逐日增强的能源供给都具有举足轻重的作用。。
[0003]至今，人们在CO2电还原生成液体产物方面做出了巨大的努力，但是一些金属由于自身的稀缺性、高成本、毒性或有限的活性，使得它们的应用受到限制。鉴于此，开发高活性、高选择性并且高效的电化学CO2生成液体产物的催化剂具有重要意义。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种铋/碳酸氧铋纳米片催化剂及其制备方法和应用，制备的铋/碳酸氧铋纳米片应用于电催化CO2还原产甲酸催化剂，具有较高的电催化效率以及高稳定性。
[0005]为达到上述目的，本专利技术是按照以下技术方案实施的：
[0006]本专利技术的第一个目的是要提供一种铋/碳酸氧铋纳米片催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1、将摩尔比为1:10:1的硝酸铋、碳酸钠、聚乙烯吡咯烷酮固体，依次放入乙二醇水溶液内，搅拌并超声处理至固体完全溶解，得到混合溶液A；
[0008]S2、向所得混合溶液A中加入碱性溶液调节溶液pH至10
‑
14，搅拌14小时，离心分离得到固体，所得固体分别用水和丙酮洗涤后真空干燥，得到Bi2O2CO3纳米片；
[0009]S3、将所得Bi2O2CO3纳米片与混合溶液B按照质量比为1：(50
‑
150)混合得到混合溶液C，所述混合溶液B由体积比为(3
‑
6)：(3
‑
6)：1的去离子水、乙醇和萘芬组成；常温下对混合溶液C进行超声处理，将超声处理的混合溶液C滴加在碳布上，红外灯下烘干，得到负载Bi2O2CO3纳米片的碳布；
[0010]S4、将所得负载Bi2O2CO3纳米片的碳布作为阴极置于KHCO3溶液中，通入CO2气体，施加负电位电解20
‑
60min，得到Bi/Bi2O2CO3纳米片复合电极材料。
[0011]进一步地，所述步骤S1中的乙二醇水溶液为由体积比为1:1的乙二醇和水组成的混合溶液。
[0012]优选地，所述步骤S2中的碱性溶液为NaOH溶液。
[0013]优选地，所述步骤S2中真空干燥的温度为30
‑
60℃。
[0014]优选地，所述步骤S1和步骤S3中，超声处理时间为10
‑
50min。
[0015]优选地，所述步骤S4中，施加的负电位为
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1.5～
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2.0V vs.Ag/AgCl。
[0016]本专利技术的第二个目的是要提供一种利用上述制备方法制得的铋/碳酸氧铋纳米片催化剂。
[0017]本专利技术的第三个目的是要提供一种铋/碳酸氧铋纳米片催化剂在电还原CO2产甲酸中的应用，具体地，包括以下步骤：将Bi/Bi2O2CO3纳米片复合电极材料作为工作电极，将Ag/AgCl和Pt网分别作为参比电极和对电极，将KHCO3溶液作为电解液；然后，在
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1.4～
‑
2.0V vs.Ag/AgCl的电解电压下对CO2进行电解还原，得到甲酸。
[0018]优选地，所述KHCO3溶液的摩尔浓度为0.1
‑
1M。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0020](1)本专利技术提供的制备方法操作工艺简单易行，原料廉价，反应温和更加安全节能，整个流程绿色环保，在降低了产品成本的基础上，在工业化上迈进了一大步，为产业化生产提供了一定支持。
[0021](2)本专利技术制备的铋/碳酸氧铋纳米片催化剂展示了优异的电化学性能，具有较高的电催化效率，而且具有良好的循环稳定性，在宽电位范围内均表现出优异的法拉第效率(FE)；本专利技术所制备的铋/碳酸氧铋复合电极材料性能优异，具有良好的发展前景。
附图说明
[0022]图1为本专利技术铋/碳酸氧铋纳米片催化剂的制备过程图。
[0023]图2为实施例1中制备的Bi2O2CO3材料的扫描电镜(SEM)照片。
[0024]图3为实施例1中制备的Bi2O2CO3材料的X射线光电子能谱(XPS)图。
[0025]图4为实施例1中电解反应前Bi2O2CO3以及还原后铋/碳酸氧铋电极材料的X射线衍射(XRD)图。
[0026]图5为实施例1中电还原后铋/碳酸氧铋复合电极材料的扫描电镜(SEM)照片。
[0027]图6为实施例1中电还原后铋/碳酸氧铋复合电极材料的X射线光电子能谱(XPS)图。
[0028]图7为应用例1中在不同电位下测试铋/碳酸氧铋复合电极材料催化生成甲酸的FE图。
[0029]图8为应用例1中铋/碳酸氧铋复合电极材料在给定电位下的长时间电解性能图。
[0030]图9为应用例2中在不同电位下测试铋/碳酸氧铋复合电极材料催化生成甲酸的FE图。
[0031]图10为应用例3中在不同电位下测试铋/碳酸氧铋复合电极材料催化生成甲酸的FE图。
气体以排尽溶液内部空气并使CO2充分溶解，施加负电位(
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2.0V vs.Ag/AgCl)电解20min，得到Bi/Bi2O2CO3纳米片复合电极材料。
[0049]为了探究铋/碳酸氧铋纳米片催化剂制备过程以及中间产物的特点，以实施例1为例，实施例1制备的Bi2O2CO3纳米片的扫描电子显微镜图像(SEM)如图2所示，从图2中可以看出Bi2O2CO3纳米片为堆叠态；如图3所示，利用X射线光电子能谱(XPS)对Bi2O2CO3纳米片进行价态分析，可以看出铋为Bi
3+
；如图4所示，Bi2O2CO3纳米片的X射线衍射(XRD)结果证明了其为纯的Bi2O2CO3；电还原后制得的Bi/Bi2O2CO3纳米片复合电极材料的扫描电镜(SEM)照片如图5所示，由图5可以看出，与未还原的Bi2O2CO3相比，经过预还原后的Bi/Bi2O2CO3能够继续保持纳米片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铋/碳酸氧铋纳米片催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将摩尔比为1:10:1的硝酸铋、碳酸钠、聚乙烯吡咯烷酮固体，依次放入乙二醇水溶液内，搅拌并超声处理至固体完全溶解，得到混合溶液A；S2、向所得混合溶液A中加入碱性溶液调节溶液pH至10
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14，搅拌14小时，离心分离得到固体，所得固体分别用水和丙酮洗涤后真空干燥，得到Bi2O2CO3纳米片；S3、将所得Bi2O2CO3纳米片与混合溶液B按照质量比为1：(50
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150)混合得到混合溶液C，所述混合溶液B由体积比为(3
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6)：(3
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6)：1的去离子水、乙醇和萘芬组成；常温下对混合溶液C进行超声处理，将超声处理的混合溶液C滴加在碳布上，红外灯下烘干，得到负载Bi2O2CO3纳米片的碳布；S4、将所得负载Bi2O2CO3纳米片的碳布作为阴极置于KHCO3溶液中，通入CO2气体，施加负电位电解20
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60min，得到Bi/Bi2O2CO3纳米片复合电极材料。2.根据权利要求1所述的铋/碳酸氧铋纳米片催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的乙二醇水溶液为由体积比为1:1的乙二醇和水组成的混合溶液。3.根据权利要求1所述的铋/碳酸氧铋纳米片催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中的碱性溶液为NaOH溶液。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：鄢俊敏，王明闯，石苗苗，魏搏涛，康霞，陈泽宇，赵轩，孙柯鑫，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：