[發明專利]一種Bi-In@Cu foam納米材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110119919.2
• 申請日: 2021-01-28
• 公開（公告）號: CN112941560A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 劉又年;楊聰丞;鄧留;何海傳;吳健
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B3/26;C25B3/07;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 趙進;顏勇

本發明公開了一種Bi?In@Cufoam納米材料及其制備方法和應用，采用原位電化學沉積的方法，以鉍作為主體金屬，引入銦作為輔助金屬，利用絡合劑的絡合作用，在常溫常壓條件下誘導水溶液中的鉍鹽和銦鹽在泡沫銅基底材料上均勻地還原生長出雙金屬納米材料，形成雙金屬的協同作用并調節金屬鉍的電子結構，從而調節催化劑與關鍵中間體(即OCHO*)之間的結合能，在電催化還原CO₂生成甲酸過程中展現出很高的催化活性。

技術領域

本發明屬于電催化材料制備與應用的技術領域，具體涉及一種Bi-In@Cu foam納米材料及其制備方法和應用，該方法制備的Bi-In@Cu foam納米材料具有較大的比表面積和豐富的孔結構，可應用于電催化還原二氧化碳。

背景技術

自工業革命以來，人類肆無忌憚的生產和生活活動，特別是對化石燃料的燃燒，釋放出了大量的二氧化碳，對原本平衡的碳循環產生了巨大影響。作為重要的溫室氣體之一，大氣中不斷增加的二氧化碳濃度將會導致全球變暖，海平面上升等重大環境問題，嚴重威脅著世界各國人民的安全，因此，尋找有效的方法減少CO₂含量十分重要。二氧化碳還原技術不僅能幫助解決能源問題，而且對解決環境問題中的全球變暖問題能起到一定作用，是一種極具發展潛力的綠色技術。這其中，電催化還原二氧化碳能在常溫常壓下進行，反應的轉化率高，是一種安全有效的還原方法，具有光明的發展前景和巨大的經濟效益。然而，二氧化碳作為一種穩定的氣體分子，將其有效還原需要面對許多挑戰，例如反應能壘高、電化學過程中過電位高、產物選擇性差、電流密度低、穩定性差、存在析氫副反應等。因此，開發合適的電化學催化劑并將其應用于二氧化碳還原過程就顯得尤為關鍵。

當前，電催化CO₂還原反應的主要產物包括一氧化碳、甲酸或甲酸鹽等C1產物以及乙酸、乙醇等C2產物，然而，技術經濟分析表明，所有產物中只有一氧化碳和甲酸或甲酸鹽具有較高的經濟效益。甲酸或甲酸鹽是一種特別有吸引力的C1產品，可用于可逆的化學氫存儲或作為化學生產的原料，當前已廣泛用于制藥，紡織工業，皮革制造和燃料電池等各個領域。

因此，尋求一種提高反應的電流密度和水性電解質體系中HCOOH的選擇性的催化材料是進一步提高電催化二氧化碳還原技術經濟實用性的重要目標。

發明內容

為了解決現有技術中存在的問題，本發明的目的是在于提供一種電流密度大、催化選擇性好、能極大促進電催化還原CO₂生成甲酸效率的Bi-In@Cu foam納米材料及其制備方法和應用，采用原位電化學沉積的方法，以鉍作為主體金屬，引入銦作為輔助金屬，利用絡合劑的絡合作用，在常溫常壓條件下誘導水溶液中的鉍鹽和銦鹽在泡沫銅基底材料上均勻地還原生長出雙金屬納米材料，形成雙金屬的協同作用并調節金屬鉍的電子結構，從而調節催化劑與關鍵中間體(即OCHO*)之間的結合能，在電催化還原CO₂生成甲酸過程中展現出很高的催化活性。

為了實現上述技術目的，本發明采用如下技術方案：

一種Bi-In@Cu foam納米材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將絡合劑和鉍源加入至水中，攪拌均勻得溶液A；

(2)將銦源加入至水中，攪拌均勻得溶液B；

(3)先將溶液A和溶液B混勻得混合溶液C，然后將泡沫銅夾在三電極體系中的工作電極上，浸入混合溶液C中進行原位電化學沉積即得Bi-In@Cu foam納米材料。

作為優選，步驟(1)中，所述絡合劑為草酸銨、乙二胺四乙酸二鈉和檸檬酸銨中的一種或幾種，進一步優選為乙二胺四乙酸二鈉。

作為優選，步驟(1)中，所述鉍源為硝酸鉍、氯化鉍和乙酸鉍中的一種或幾種，進一步優選為乙酸鉍。

作為優選，步驟(1)中，所述絡合劑和鉍源的摩爾比為2:1～1:2，溶液A中鉍源的濃度為1～4mmol/L。