[发明专利]一种二维铋烯纳米片的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种铋系二氧化碳(CO₂)电化学还原催化材料的制备方法，使用该方法制备的二维超薄铋烯纳米片作为催化材料可以显著增加对CO₂电化学还原的活性，抑制析氢副反应，增强产物甲酸盐的选择性以及产物电流，拓宽了CO₂电化学还原成甲酸/甲酸盐的电势窗口，在非常宽的电势窗口中几乎100％的将CO₂还原成甲酸的同时，具有非常大的电流密度。本发明公开的二维超薄铋烯纳米片的制备方法，以铋基金属有机框架聚合物为前驱体，通过原位电化学转化法可直接得到所需催化材料，在大幅缩短合成时间的同时，得到高质量超薄铋烯纳米片。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种二维铋烯纳米片的制备方法及其应用。

背景技术

近年来，大气中CO₂浓度不断上升导致温室效应愈发严重。因此，开发切实有效的技术实现CO₂的转化利用具有重要的现实意义跟经济价值。然而，由于CO₂分子本身具有极高的稳定性，使得对其进行转化利用面临巨大的挑战。电化学还原CO₂不仅可以实现CO₂的高效转化，而且还具有设备简单、反应条件温和以及产物可控等优势，可以显著降低成本，实现规模化生产。

电化学CO₂转化的产物复杂，包括一氧化碳、甲酸、甲烷、乙烯等各种物质。在这其中，甲酸不仅是一种重要的有机化工原料，还是一种理想的氢载体，可以作为液体燃料直接应用于甲酸/甲酸盐燃料电池中，在工业与航天上具有重要的潜在应用价值。当今最受关注的CO₂电化学还原转化为甲酸/甲酸盐的催化剂是锡、钯、铋、铅及其相关化合物。然而这些催化剂整体面临活性低、稳定性差、价格昂贵等问题，使其难以应用于工业生产。因此，设计开发一种高活性和稳定的新型非贵金属催化剂具有重要的现实与经济意义。据报道，二维材料，尤其是二维铋系材料，可以有效电化学催化还原CO₂转化为甲酸/甲酸盐。但目前报道的例子中，几乎没有催化剂可以同时满足高电流密度、宽电势窗口内的高选择性以及高稳定性。

发明内容

为改善上述问题，本发明提供一种二维铋烯纳米片的制备方法，包括：将铋盐、有机配体和有机碱溶解在反应溶剂中，通过溶剂热法制备得到Bi-MOFs前驱体，然后将Bi-MOFs前驱体分散到混合溶液中，得到前驱体溶液，将所得前驱体溶液涂覆到基底上，制得负载有Bi-MOFs的电极，最后通过原位电化学转化过程，得到所述二维铋烯纳米片。

根据本发明，所述铋盐为铋的卤化盐、硝酸盐或有机酸盐及其水合物，如硝酸铋、五水硝酸铋、硝酸氧铋、氯化铋、乙酸铋、柠檬酸铋等。

根据本发明，所述有机配体为1,4-对苯二甲酸、2-氨基对苯二甲酸、2,5-二羟基对苯二甲酸、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种或多种。

根据本发明，所述有机碱为哌嗪、三乙胺、N,N-二异丙基乙胺、1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯(DBU)、4-二甲氨基吡啶(DMAP)。

根据本发明，所述反应溶剂为水、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)中的一种或多种。

根据本发明，所述混合溶液为有机溶剂、水和全氟磺酸(Nafion)溶液的混合；所述有机溶剂包括甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、DMF、DMA中的一种或多种，其中有机溶剂与水的体积比为1:9-9:1，如7:2；所述Nafion溶液为醇溶液，如异丙醇溶液，其浓度为0.5wt％–10wt％，Nafion溶液的体积与有机溶剂和水的体积之和比为1:50–1:5，如1:8、1:9、1:10、1:12、1:15、1:20、1:30、1:40；

根据本发明，所述Bi-MOFs前驱体与混合溶液的质量体积比(mg/mL)为(0.5–20):1，如1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、8:1、10:1、15:1。