一种二维超薄铋/氧化铋纳米片及其制备方法、电极材料和应用

本申请涉及催化剂合成领域，具体地，涉及一种二维超薄铋/氧化铋纳米片及其制备方法、电极材料和应用。

背景技术：

1、化石燃料的大量排放二氧化碳严重威胁着环境问题和气候问题。电化学将二氧化碳还原为高附加值化学品，是利用间歇性可再生能源(如太阳能、风能、潮汐能)加速人工碳循环建立的潜在策略。目前的技术经济分析表明，电化学还原二氧化碳制甲酸/甲酸盐是最具商业可行性的反应途径之一。然而电化学二氧化碳还原反应仍面临较低的催化活性，导致二氧化碳活化过程的产生巨大能垒。

2、此外，复杂的电子-质子转移过程和竞争性析氢反应会导致产物的产生多样化，导致对单一产物的选择性较差。近年来，二维铋基催化剂因其氧亲和力强、氢亲和力低等优点，有利于稳定*ocoh中间体生成hcoo-/hcooh产物，从而引起了广泛关注。但是，二维结构的高活性位点主要集中在边缘位置从而导致活性位点少，催化活性低。此外，现有的二维铋基催化剂仍存在活性低、选择性差、稳定性差等技术问题。许多文献表明，不饱和配位原子的形成可以增强活性位点的本征活性，从而增加关键中间体的吸附并降低形成能垒。因此，开发简单高效的制备方法是在二维结构表面制备更多具有高本征活性的不饱和配位原子的重要条件。

技术实现思路

1、本公开的目的是提供一种二维超薄铋/氧化铋纳米片及其制备方法、电极材料和应用，本公开的方法能够制备得到富含晶界缺陷的二维铋/氧化铋纳米片，制备方法简单易行，可实现规模化工业生产，该纳米片具有优异的催化活性、稳定性和对目的产物的选择性。

2、为了实现上述目的，本公开第一方面提供一种二维超薄铋/氧化铋纳米片的制备方法，该方法包括：

3、s1、将铋源、溶剂与无机盐混合后，除去溶剂，得到前驱体；

4、s2、在还原气氛中，将所述前驱体进行高温退火，得到铋纳米片；

5、s3、将所述铋纳米片进行等离子体刻蚀，得到富含晶界缺陷的二维铋/氧化铋纳米片。

6、可选地，步骤s1中，相对于1ml的溶剂，所述铋源的用量为0.1-10mg；相对于1mg的所述铋源，所述无机盐的用量为1-8g。

7、可选地，所述铋源选自乙酸铋、氯化铋、硝酸铋和硫酸铋中的一种或几种；

8、所述溶剂选自水、醇和有机酸中的一种或几种；所述醇为乙醇、甲醇和异丙醇中的一种或几种，所述有机酸选自乙酸、稀盐酸和稀硝酸中的一种或几种；

9、所述无机盐选自氯化钾、氯化钠、硫酸钾、硫酸钠、硝酸钾和硝酸钠中的一种或几种。

10、可选地，步骤s2中，所述高温退火的条件包括：初始温度为20-35℃，升温速率为2-10℃/min，终点温度为400-700℃，保温时间为0.5-3h；

11、所述还原气氛含有氢气和惰性气体，所述惰性气体的体积含量为5-20％，所述惰性气体包括氮气和/或氩气。

12、可选地，步骤s3中，所述等离子体刻蚀的条件包括：以氧气为等离子体源，刻蚀反应压力为5-50pa，刻蚀功率为50-500w，刻蚀时间为1-30min。

13、本公开第二方面提供一种本公开第一方面提供的方法制备得到的二维超薄铋/氧化铋纳米片。

14、可选地，所述二维超薄铋/氧化铋纳米片的厚度为1-2nm，最大直径为200-1000nm，比表面积为11.6-19.0m2/g。

15、本公开第三方面提供一种电极材料，所述电极材料包括基材和负载于所述基材上的气体扩散层；所述气体扩散层含有催化剂，所述催化剂的活性组分为本公开第二方面提供的富含晶界缺陷的二维铋/氧化铋纳米片。

16、以所述电极材料的总重量为基准，所述催化剂的负载量为0.1-2mg/cm2；

17、以所述催化剂的干基重量为基准，所述催化剂中活性组分的重量含量为70-90％；

18、所述气体扩散层的厚度为200-500μm，所述基材的材料选自玻璃碳、碳纸或碳布。

19、本公开第四方面提供一种本公开第三方面提供的电极材料在电催化、光催化、热催化或生物诊疗中的应用。

20、本申请的上述技术方案至少具有以下优点：

21、(1)本公开的方法合成方式简单高效，操作简便，并极大地提高了铋原子的利用率，可实现二维超薄铋/氧化铋纳米片的规模化生产，同时，反应后的无机盐可通过重结晶等方式重复使用，对于降低催化剂的工业化成本十分有效。

22、(2)催化活性增强：晶界缺陷在二维铋/氧化铋纳米片中作为活性位点，能有效促进二氧化碳的吸附和活化。缺陷区域具有丰富的不饱和配位原子并同时伴随空位产生，这种独特的电子结构对二氧化碳分子具有较高的亲和力，从而增强了电催化反应的活性。

23、(3)选择性改善：晶界缺陷可以改变二维超薄铋/氧化铋纳米片表面的电子密度分布，从而影响二氧化碳还原的路径。有助于提高对特定产物(如甲酸)的选择性，减少副反应的发生，从而提高整体反应的效率。

24、(4)稳定性增强：晶界缺陷的存在可增强材料的结构稳定性，尤其是在电化学环境中，有助于减少催化剂的腐蚀或降解。

25、(5)活性位点密集：在含有晶界缺陷的二维超薄铋/氧化铋纳米片中，缺陷区域往往伴随着表面形态的不规则性，这可以导致比表面积的增加，从而暴露更多的活性位点。

26、本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种二维超薄铋/氧化铋纳米片的制备方法，其特征在于，该方法包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，相对于1ml的溶剂，所述铋源的用量为0.1-10mg；相对于1mg的所述铋源，所述无机盐的用量为1-8g。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铋源选自乙酸铋、氯化铋、硝酸铋和硫酸铋中的一种或几种；

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述高温退火的条件包括：初始温度为20-35℃，升温速率为2-10℃/min，终点温度为400-700℃，保温时间为0.5-3h；

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述等离子体刻蚀的条件包括：以氧气为等离子体源，刻蚀反应压力为5-50pa，刻蚀功率为50-500w，刻蚀时间为1-30min。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的制备方法制备得到的富含晶界缺陷的二维超薄铋/氧化铋纳米片。

7.根据权利要求6所述的二维超薄铋/氧化铋纳米片，其特征在于，所述二维超薄铋/氧化铋纳米片的厚度为1-2nm，最大直径为200-1000nm，比表面积为11.6-19.0m2/g。

8.一种电极材料，其特征在于，所述电极材料包括基材和负载于所述基材上的气体扩散层；所述气体扩散层含有催化剂，所述催化剂的活性组分为权利要求6或7所述的富含晶界缺陷的二维铋/氧化铋纳米片。

9.根据权利要求8所述的电极材料，其特征在于，以所述电极材料的总重量为基准，所述催化剂的负载量为0.1-2mg/cm2；

10.根据权利要求8或9所述的电极材料在电催化、光催化、热催化或生物诊疗中的应用。

技术总结本公开涉及一种二维超薄铋/氧化铋纳米片及其制备方法、电极材料和应用，该方法包括：S1、将铋源、溶剂与无机盐混合后，除去溶剂，得到前驱体；S2、在还原气氛中，将前驱体进行高温退火，得到铋纳米片；S3、将铋纳米片进行等离子体刻蚀，得到富含晶界缺陷的二维铋/氧化铋纳米片。本公开的方法能够制备得到富含晶界缺陷的二维铋/氧化铋纳米片，制备方法简单易行，可实现规模化工业生产，该纳米片具有优异的催化活性、稳定性和对目的产物的选择性。技术研发人员：田新龙,王冠,邓培林,李静,王芳园,李瑞松受保护的技术使用者：海南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5