[發(fā)明專利]一種二維鉍烯納米片的制備方法及其應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2019-12-24
• 公開（公告）號: CN111041517B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱起龍;曹昌盛;林華
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所
• 主分類號: C25B3/07
• 分類號: C25B3/07;C25B3/26;C25B11/032;C25B11/075;C25D3/54;B01J31/22;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 北京知元同創(chuàng)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11535
• 代理人: 聶稻波

本發(fā)明公開了一種鉍系二氧化碳(CO₂)電化學(xué)還原催化材料的制備方法，使用該方法制備的二維超薄鉍烯納米片作為催化材料可以顯著增加對CO₂電化學(xué)還原的活性，抑制析氫副反應(yīng)，增強(qiáng)產(chǎn)物甲酸鹽的選擇性以及產(chǎn)物電流，拓寬了CO₂電化學(xué)還原成甲酸/甲酸鹽的電勢窗口，在非常寬的電勢窗口中幾乎100％的將CO₂還原成甲酸的同時(shí)，具有非常大的電流密度。本發(fā)明公開的二維超薄鉍烯納米片的制備方法，以鉍基金屬有機(jī)框架聚合物為前驅(qū)體，通過原位電化學(xué)轉(zhuǎn)化法可直接得到所需催化材料，在大幅縮短合成時(shí)間的同時(shí)，得到高質(zhì)量超薄鉍烯納米片。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種二維鉍烯納米片的制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

近年來，大氣中CO₂濃度不斷上升導(dǎo)致溫室效應(yīng)愈發(fā)嚴(yán)重。因此，開發(fā)切實(shí)有效的技術(shù)實(shí)現(xiàn)CO₂的轉(zhuǎn)化利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義跟經(jīng)濟(jì)價(jià)值。然而，由于CO₂分子本身具有極高的穩(wěn)定性，使得對其進(jìn)行轉(zhuǎn)化利用面臨巨大的挑戰(zhàn)。電化學(xué)還原CO₂不僅可以實(shí)現(xiàn)CO₂的高效轉(zhuǎn)化，而且還具有設(shè)備簡單、反應(yīng)條件溫和以及產(chǎn)物可控等優(yōu)勢，可以顯著降低成本，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。

電化學(xué)CO₂轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物復(fù)雜，包括一氧化碳、甲酸、甲烷、乙烯等各種物質(zhì)。在這其中，甲酸不僅是一種重要的有機(jī)化工原料，還是一種理想的氫載體，可以作為液體燃料直接應(yīng)用于甲酸/甲酸鹽燃料電池中，在工業(yè)與航天上具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)今最受關(guān)注的CO₂電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化為甲酸/甲酸鹽的催化劑是錫、鈀、鉍、鉛及其相關(guān)化合物。然而這些催化劑整體面臨活性低、穩(wěn)定性差、價(jià)格昂貴等問題，使其難以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)一種高活性和穩(wěn)定的新型非貴金屬催化劑具有重要的現(xiàn)實(shí)與經(jīng)濟(jì)意義。據(jù)報(bào)道，二維材料，尤其是二維鉍系材料，可以有效電化學(xué)催化還原CO₂轉(zhuǎn)化為甲酸/甲酸鹽。但目前報(bào)道的例子中，幾乎沒有催化劑可以同時(shí)滿足高電流密度、寬電勢窗口內(nèi)的高選擇性以及高穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容

為改善上述問題，本發(fā)明提供一種二維鉍烯納米片的制備方法，包括：將鉍鹽、有機(jī)配體和有機(jī)堿溶解在反應(yīng)溶劑中，通過溶劑熱法制備得到Bi-MOFs前驅(qū)體，然后將Bi-MOFs前驅(qū)體分散到混合溶液中，得到前驅(qū)體溶液，將所得前驅(qū)體溶液涂覆到基底上，制得負(fù)載有Bi-MOFs的電極，最后通過原位電化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，得到所述二維鉍烯納米片。

根據(jù)本發(fā)明，所述鉍鹽為鉍的鹵化鹽、硝酸鹽或有機(jī)酸鹽及其水合物，如硝酸鉍、五水硝酸鉍、硝酸氧鉍、氯化鉍、乙酸鉍、檸檬酸鉍等。

根據(jù)本發(fā)明，所述有機(jī)配體為1,4-對苯二甲酸、2-氨基對苯二甲酸、2,5-二羥基對苯二甲酸、1,3,5-均苯三甲酸、2,6-吡啶二羧酸、咪唑-4,5-二羧酸以及3,4-吡啶二羧酸等其中的一種或多種。

根據(jù)本發(fā)明，所述有機(jī)堿為哌嗪、三乙胺、N,N-二異丙基乙胺、1,8-二氮雜二環(huán)十一碳-7-烯(DBU)、4-二甲氨基吡啶(DMAP)。

根據(jù)本發(fā)明，所述反應(yīng)溶劑為水、甲醇、乙醇、乙二醇、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)以及N，N-二甲基乙酰胺(DMA)中的一種或多種。

根據(jù)本發(fā)明，所述混合溶液為有機(jī)溶劑、水和全氟磺酸(Nafion)溶液的混合；所述有機(jī)溶劑包括甲醇、乙醇、異丙醇、乙二醇、DMF、DMA中的一種或多種，其中有機(jī)溶劑與水的體積比為1:9-9:1，如7:2；所述Nafion溶液為醇溶液，如異丙醇溶液，其濃度為0.5wt％–10wt％，Nafion溶液的體積與有機(jī)溶劑和水的體積之和比為1:50–1:5，如1:8、1:9、1:10、1:12、1:15、1:20、1:30、1:40；

根據(jù)本發(fā)明，所述Bi-MOFs前驅(qū)體與混合溶液的質(zhì)量體積比(mg/mL)為(0.5–20):1，如1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、8:1、10:1、15:1。