[发明专利]一种铋基自支撑电催化剂及其制备方法和在氮气还原产氨中的应用

说明书

本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一种铋基自支撑电催化剂的制备及其在电催化氮气还原产氨中的应用。在用电化学方法处理过的碳材料基底上通过电化学方法固载Bi₂O₃催化剂纳米颗粒，得到铋基自支撑电催化剂。将电化学方法处理后的碳材料作为工作电极，铂片电极作为对电极和参比电极，以BiCl₃的乙二醇溶液作为电解液，进行电沉积，将得到的固载了Bi₂O₃催化剂纳米颗粒的碳材料基底取出，清洗、干燥，得到铋基自支撑电催化剂。本发明得到了一种结构稳定、导电性好、比表面积大的铋基自支撑电催化材料。制备方法简单、重复性好，不需要粘结剂，固载量可调，电催化氮气还原的产氨效率和法拉第效率都较为理想，在电催化氮气还原产氨等领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于催化剂材料领域，尤其涉及一种对氮气还原产氨具有催化性能的铋基自支撑电催化剂的制备及其在电催化氮气还原产氨反应中的应用。

背景技术

氨(NH₃)是当前人类社会最重要的化工原料之一，在农业、工业、纺织业等领域都有着非常重要的作用。氨气容易液化存储运输，具有高能量密度(4.32KWh/L)，同时其氢含量为17.6wt％，是非常稳定的氢能载体，并可解离生成氢气。当今社会对于氨气的需求日益增加，但是现阶段工业上氨的生产主要通过传统的Haber-Bosch法，该法条件苛刻(高温高压)、污染大(排放大量二氧化碳)、能耗大(生产过程中消耗的能量约占世界年能量消耗的1％)。近年来，随着绿色可持续发展理念的提出，开发一种绿色可持续发展的产氨方法刻不容缓。电催化氮气还原法是在常温、常压下通过电能将氮气和水转化为氨气。研究发现，氧化铋对氮气还原产氨有很好的响应。剥离的碳纸相比于传统碳纸具有比表面积大、可固载位点多、层间距大等优点，可以调节氧化铋纳米粒子的固载量。因此将氧化铋纳米粒子固载到剥离碳纸上，会具有比传统碳纸上固载氧化铋拥有更高的催化活性，将极大促进电催化氮气还原产氨技术的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备方法简单、重复性好、不需要粘结剂、固载量可调的铋基自支撑电催化剂的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种铋基自支撑电催化剂，所述铋基自支撑电催化剂是于电化学方法处理过的碳材料基底上通过电化学方法固载Bi₂O₃催化剂纳米颗粒得到的铋基自支撑电催化剂。

优选地，上述的一种铋基自支撑电催化剂，所述碳材料基底是碳纸。

优选地，上述的一种铋基自支撑电催化剂的制备方法，方法如下：将用电化学方法处理后的碳纸作为工作电极，铂片电极作为对电极和参比电极，以铋的盐溶液作为电解液，在恒定电流密度下进行电沉积，将所得到的固载了Bi₂O₃催化剂纳米颗粒的碳材料基底取出，乙醇洗数次，真空干燥，得到铋基自支撑电催化剂Bi₂O₃@FEG。

优选地，上述的一种铋基自支撑电催化剂的制备方法，所述的电沉积的电流密度为1mA cm^-2，电沉积的时间为5-10min。

优选地，上述的一种铋基自支撑电催化剂的制备方法，所述电化学方法处理后的碳纸，制备方法如下：以碳纸作为工作电极，甘汞电极作为参比电极，另一块碳纸作为对电极，碳纸通过CV在0.6到1.8V范围内处理，在去离子水中浸泡12h，碳纸通过i-t恒定电压下8000-10000s，用去离子水清洗数次，碳纸通过CV在-1到0.9V范围内处理，用清水清洗数次，冷冻干燥6h，然后在真空干燥箱中真空干燥12h，得到电化学方法处理后的碳纸FEG。

优选地，上述的一种铋基自支撑电催化剂的制备方法，所述电解液是BiCl₃的乙二醇溶液；制备方法为：将BiCl₃加入到乙二醇中，室温下搅拌1h，得到BiCl₃的乙二醇溶液。