[发明专利]一种铋基材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种铋基材料及其制备方法和应用。该铋基材料的制备方法包括如下步骤：将磷酸铋经电化学还原法制备得到纳米铋基材料即可。采用本发明的制备方法制得的铋基材料具有较高的氧原子嵌入量，在电催化还原CO₂的过程中，能够在保证甲酸的法拉第效率同时，还具有较高的能量利用率并且具有良好的催化稳定性。

技术领域

本发明涉及一种铋基材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着时代进步与科技发展，人类对能源的需求越来越大。人类生活和工业生产中的化石燃料持续燃烧导致了空气中CO₂的含量大幅度增长，并且加速了全球变暖，造成了酸雨和海平面上升等一系列环境问题。如何将大气中的CO₂回收及转化为各种有机化学燃料是维持可持续发展面临的巨大挑战之一。电催化还原CO₂反应是公认的将CO₂转化为高附加值产物的一种有效途径。

在电催化还原CO₂反应中，液相甲酸是电化学还原CO₂的理想产物，液相甲酸不仅比气态产物更加便于储运；而且还具有很高的储氢能力，已作为重要的化学中间体广泛应用于许多工业过程中。

铋、锡、铅、汞、铟和钴等金属已被证明是在水性电解质中将CO₂还原成甲酸的有效催化剂。其中，由于铋的低毒性和环境友好性，以及其出色的活性和选择性，铋已成为CO₂还原产甲酸的基准催化剂。铋作为催化剂由多种预催化剂衍生而来，例如BiOX(Cl，Br，I)、Bi₂O₂CO₃和铋基金属有机框架等。现有文献“Ultrathin bismuth nanosheets from insitu topotactic transformation for selective electrocatalytic CO₂ reductionto formate；Na Han,Yu Wang.et.al，Nat.Commun，2018(9)1320”公开了一种由BiOI纳米片还原制得的铋基纳米片；该铋基纳米片在0.5M NaHCO₃的电解液中的甲酸法拉第效率虽然几乎达到了100％，但是其需要在-1.41V(相对于可逆氢电极)时才仅能达到22mA cm^-2(根据图3b，在-1.65V_SCE(即-1.41V_RHE)时，法拉第效率最高，约为100％，对应的图3c中电流密度约为22mA cm^-2)，能量利用率低，仅为54.5％。

中国专利文献CN111604046A中公开了一种铋基材料，其中以纳米棒状硫化铋为原料制备，所制备得到的铋基纳米材料表面的亚表面溶剂氧的含量仅为10％-15％，甲酸的法拉第效率约80％，能量利用率仅为51.7％。

因此，亟需一种铋基纳米材料，其不仅能够保证甲酸的法拉第效率，还能够提高能量利用率，从而进一步提升铋基纳米材料在电催化还原CO₂的效率。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的铋基材料在电催化还原CO₂中阴极能量利用效率有待进一步提高的缺陷，而提供一种铋基材料及其制备方法和应用。本发明的铋基材料具有较高的氧原子嵌入量，在电催化还原CO₂中，同时兼具较佳的甲酸法拉第效率、优异的能量利用率以及较好的催化稳定性。

现有技术中，本领域技术人员虽知晓铋基材料应用于电催化还原CO₂领域有诸多优势，但是在应用过程中能量利用效率低(即能耗较高)，而本申请的发明人发现采用磷酸铋通过电化学还原法制备得到铋基材料，不仅具有较佳的甲酸的法拉第效率，而且能量利用率较高，从而进一步提升电催化还原CO₂的效率。本发明是通过下述方案来解决上述技术问题的：