[发明专利]一种Bi-In@Cu foam纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种Bi‑In@Cufoam纳米材料及其制备方法和应用，采用原位电化学沉积的方法，以铋作为主体金属，引入铟作为辅助金属，利用络合剂的络合作用，在常温常压条件下诱导水溶液中的铋盐和铟盐在泡沫铜基底材料上均匀地还原生长出双金属纳米材料，形成双金属的协同作用并调节金属铋的电子结构，从而调节催化剂与关键中间体(即OCHO*)之间的结合能，在电催化还原CO₂生成甲酸过程中展现出很高的催化活性。

技术领域

本发明属于电催化材料制备与应用的技术领域，具体涉及一种Bi-In@Cu foam纳米材料及其制备方法和应用，该方法制备的Bi-In@Cu foam纳米材料具有较大的比表面积和丰富的孔结构，可应用于电催化还原二氧化碳。

背景技术

自工业革命以来，人类肆无忌惮的生产和生活活动，特别是对化石燃料的燃烧，释放出了大量的二氧化碳，对原本平衡的碳循环产生了巨大影响。作为重要的温室气体之一，大气中不断增加的二氧化碳浓度将会导致全球变暖，海平面上升等重大环境问题，严重威胁着世界各国人民的安全，因此，寻找有效的方法减少CO₂含量十分重要。二氧化碳还原技术不仅能帮助解决能源问题，而且对解决环境问题中的全球变暖问题能起到一定作用，是一种极具发展潜力的绿色技术。这其中，电催化还原二氧化碳能在常温常压下进行，反应的转化率高，是一种安全有效的还原方法，具有光明的发展前景和巨大的经济效益。然而，二氧化碳作为一种稳定的气体分子，将其有效还原需要面对许多挑战，例如反应能垒高、电化学过程中过电位高、产物选择性差、电流密度低、稳定性差、存在析氢副反应等。因此，开发合适的电化学催化剂并将其应用于二氧化碳还原过程就显得尤为关键。

当前，电催化CO₂还原反应的主要产物包括一氧化碳、甲酸或甲酸盐等C1产物以及乙酸、乙醇等C2产物，然而，技术经济分析表明，所有产物中只有一氧化碳和甲酸或甲酸盐具有较高的经济效益。甲酸或甲酸盐是一种特别有吸引力的C1产品，可用于可逆的化学氢存储或作为化学生产的原料，当前已广泛用于制药，纺织工业，皮革制造和燃料电池等各个领域。

因此，寻求一种提高反应的电流密度和水性电解质体系中HCOOH的选择性的催化材料是进一步提高电催化二氧化碳还原技术经济实用性的重要目标。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是在于提供一种电流密度大、催化选择性好、能极大促进电催化还原CO₂生成甲酸效率的Bi-In@Cu foam纳米材料及其制备方法和应用，采用原位电化学沉积的方法，以铋作为主体金属，引入铟作为辅助金属，利用络合剂的络合作用，在常温常压条件下诱导水溶液中的铋盐和铟盐在泡沫铜基底材料上均匀地还原生长出双金属纳米材料，形成双金属的协同作用并调节金属铋的电子结构，从而调节催化剂与关键中间体(即OCHO*)之间的结合能，在电催化还原CO₂生成甲酸过程中展现出很高的催化活性。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种Bi-In@Cu foam纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将络合剂和铋源加入至水中，搅拌均匀得溶液A；

(2)将铟源加入至水中，搅拌均匀得溶液B；

(3)先将溶液A和溶液B混匀得混合溶液C，然后将泡沫铜夹在三电极体系中的工作电极上，浸入混合溶液C中进行原位电化学沉积即得Bi-In@Cu foam纳米材料。

作为优选，步骤(1)中，所述络合剂为草酸铵、乙二胺四乙酸二钠和柠檬酸铵中的一种或几种，进一步优选为乙二胺四乙酸二钠。

作为优选，步骤(1)中，所述铋源为硝酸铋、氯化铋和乙酸铋中的一种或几种，进一步优选为乙酸铋。

作为优选，步骤(1)中，所述络合剂和铋源的摩尔比为2:1～1:2，溶液A中铋源的浓度为1～4mmol/L。