[发明专利]一种可控合成不同晶面择优取向Bi纳米片的方法

说明书

本发明公开了一种可控合成不同晶面择优取向Bi纳米片的方法，属于微/纳米材料制备技术领域。本发明在常温常压下先可控合成了不同晶面择优取向的碘氧化铋，再以此为模板经电化学还原拓扑转化为(012)和(003)晶面择优取向的Bi纳米片。(003)晶面择优取向的Bi纳米片在‑0.85V vs.RHE电位下，电催化CO₂还原制甲酸的法拉第效率高达98％，在‑1.05vs.RHE电位下，产甲酸的分电流密度可大于100mA/cm²，且具有微米级横向尺寸，表面体积比更大，可暴露出更多的催化活性位点，有利于电子传导，电催化CO₂还原制甲酸的效率和选择性更高，非常经济、实用，具有很好的工业化应用潜力。

技术领域

本发明涉及一种可控合成不同晶面择优取向Bi纳米片的方法，属于微/纳米材料制备技术领域。

背景技术

现代工业的快速发展使得化石燃料的消耗量逐年攀升，加剧了能源危机和全球变暖问题。CO₂的资源化利用，已引起了越来越多学者们的关注和思考。电催化CO₂还原(CO₂RR)利用可再生电能，将CO₂转化为燃料或化学原料为碳循环提供了一项有前景的策略。近些年来，无毒、价廉的二维层状金属Bi及Bi基催化剂，因可高选择性地电催化CO₂还原产甲酸，且仅以H₂和产量几乎可忽略的CO作为副产物，引起了研究者们的广泛研究。但块体金属Bi电催化CO₂还原的起始电位大于-0.8V vs.RHE，电流密度不超过10mA cm^-2[Koh,J.H.；Won,D.H.；Eom,T.；et al.ACS.Catal.2017,7,5071-5077]，限制了其实际应用的可能性。而且电催化CO₂RR的反应过程比较复杂，动力学上有利的HER竞争反应会影响CO₂还原产物的选择性。故为了有效提高电催化CO₂RR的转化效率，倾向于设计对CO₂具有高吸附能和低活化势垒的二维Bi纳米片。

比较常见的制备Bi纳米片的方法，主要为还原法和剥离法。而已有报道的，还原法和剥离法均制备得到(012)晶面择优取向的Bi纳米片，且所得Bi纳米片的横向尺寸小于500nm[Zhang,W.；Hu Y.；Ma,L.；et al.Nano Energy 2018,53,808-816]。尺寸较小的Bi纳米片易在电极表面进行堆积，暴露出有限的催化活性位点数，电催化CO₂RR的效率较低，具体表现在电催化CO₂RR的电流密度仅几十mA/cm²[Yang,F.；Elnabawy,A.O.；Schimmenti,R.；et al.Nat.Commun.2020,11,1088]。高表面体积比的二维材料表面可暴露出大量的催化活性位点，有利于界面电荷的快速转移，提高电催化CO₂RR的转化效率，但动力学上有利的电催化析氢(HER)竞争反应仍会影响CO₂RR产物的选择性[Feaster,J.T.；Shi,C.；Cave,E.R.；et al.ACS Catal.2017,7,4822-4827]。因此，可控合成不同晶面择优取向的Bi纳米片，识别HER和CO₂RR的活性位点有助于从纳米尺度上对材料进行合理的结构设计和表界面调控以提高Bi纳米片电催化CO₂还原制甲酸的效率和选择性。

发明内容

[技术问题]

利用传统的自上而下的机械剥离法或者自下而上的化学合成法均难以可控合成不同择优取向的Bi纳米片。而已有报道的，不同晶面择优取向的Bi纳米薄膜通常需要在高温或高压等苛刻条件下进行制备[Hussain,N.；Liang,T.；Zhang,Q.；et al.small 2017,13,1701349]。因此，有必要探索一种简便的，可实现常温常压下可控合成不同晶面择优取向的Bi纳米片的方法。

[技术方案]