一种界面工程构建的铋基纳米线催化剂在电催化还原二氧化碳的应用

本发明涉及催化二氧化碳裂解，具体涉及一种界面工程构建的铋基纳米线催化剂在电催化还原二氧化碳的应用。

背景技术：

1、以原料是co2的电化学合成的增值燃料为减少气候变化的二氧化碳排放提供了一种有吸引力的途径，并为实现碳中和提供了坚实的踏脚石。在过去的十年中，开发具有活性和选择性的co2rr(二氧化碳还原反应)同时抑制竞争性的析氢反应的催化剂已成为人们深入研究的课题。然而，co2分子具有良好的热力学稳定性，活化能垒高,同时,其还原路径涉及复杂的质子耦合电子转移过程,导致大多数催化剂的选择性差、活性低。因而，co2rr的关键科学问题为如何设计能够高效活化和选择性转化co2的催化剂。

2、目前的研究主要集中在设计具有高选择性和催化活性的金属基co2rr催化剂，包括一些主族金属(如sn、in)和过渡金属(如cd、zn)。贵金属仍然表现出比其他金属更好的催化性能和稳定性。然而，它们有限的土地储量和高昂的应用成本使其难以大规模实施。铋是一种在室温下稳定且毒性较小的金属，对hcooh的形成具有高选择性、低her(析氢反应)活性，在电催化co2rr中具有稳定性，因此，它引起了研究人员的相当大的关注。受这些优势的启发，有必要进一步研究和开发铋基催化剂用于电催化co2rr 生成hcooh的研究。

3、选择制备性能优良且稳定的催化剂是主要研究方向之一，也是进一步探索和掌握电化学co2rr催化机理的关键，这对于通过co2rr高效合成有价值的化学产物具有重要价值。因此这里通过利用bi和bi2te3之间的界面协调作用，研究了bi/bi2te3nws催化剂对电催化co2rr的影响。目前，关于构建内置电场界面工程的铋基纳米线（简称nws）催化剂应用于电催化还原二氧化碳的研究较少。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种界面工程构建的铋基纳米线催化剂在电催化还原二氧化碳的应用。

2、本发明所采取的技术方案如下：所述铋基纳米线催化剂为bi/bi2te3nws，包括nws和暴露于nws表面且具有bi-te配位位点的bi/bi2te3异质界面，所述bi2te3界面上的bi-te配位位点及bi/bi2te3异质界面的异质结构形成促进co2中间体产生的内置电场。

3、优选的，所述铋基纳米线催化剂的制备包括以下步骤：

4、s1：以碲源、铋源为前体，将前体与还原剂混合并加入活性剂，再将混合物分散至溶剂中超声；

5、s2：将混合物水热反应热处理后离心洗涤、干燥，得到bi/bi2te3nws。

6、优选的，步骤s1中，所述碲源为亚碲酸钾，所述铋源为醋酸铋。

7、优选的，步骤s1中，所述还原剂为抗坏血酸。

8、优选的，步骤s1中，所述活性剂为聚乙烯吡咯烷酮。

9、优选的，步骤s1中，所述溶剂包括乙二醇和超纯水。

10、优选的，步骤s2中，所述水热反应的温度为160-200℃，所述的水热反应的时间为4-6h。

11、优选的，步骤s2中，用丙酮和乙醇的混合溶液将产物进行离心洗涤操作三次。

12、本发明的有益效果如下：

13、1、本发明创新地将bi/bi2te3nws作为催化剂应用于电催化还原二氧化碳，本催化剂对co2还原为甲酸(hcooh)表现出显著的选择性，与可逆氢电极相比，合成的bi/bi2te3nws在-0.8 ~ -1.2v的电势范围内始终保持90%以上的法拉第效率(fe)，其中hcooh在-1.0v电势下的fe达到97.2%。

14、2、本发明通过水热实验设计了基于bi/bi2te3异质结构的纳米线，制备方法简单，应用性好。由于在nws表面暴露了bi/bi2te3界面，界面上的bi-te配位位点表现出催化协同作用，界面电场在bi/bi2te3异质结构中引起电子极化效应，由于这种电荷的重新分配，向费米能级靠近或向上移动，从而显著影响反应过程的催化性能。

技术特征：

1.一种界面工程构建的铋基纳米线催化剂在电催化还原二氧化碳的应用，其特征在于： 所述铋基纳米线催化剂为bi/bi2te3 nws，包括nws和暴露于nws表面且具有bi-te配位位点的bi/bi2te3异质界面，所述bi2te3界面上的bi-te配位位点及bi/bi2te3异质界面的异质结构形成促进co2中间体产生的内置电场。

2.根据权利要求1所述的一种应用，其特征在于，所述铋基纳米线催化剂的制备包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种应用，其特征在于：步骤s1中，所述碲源为亚碲酸钾，所述铋源为醋酸铋。

4.根据权利要求2所述的一种应用，其特征在于：步骤s1中，所述还原剂为抗坏血酸。

5.根据权利要求2所述的一种应用，其特征在于：步骤s1中，所述活性剂为聚乙烯吡咯烷酮。

6.根据权利要求2所述的一种应用，其特征在于：步骤s1中，所述溶剂包括乙二醇和超纯水。

7.根据权利要求2所述的一种应用，其特征在于：步骤s2中，所述水热反应的温度为160-200℃，所述的水热反应的时间为4-6h。

8.根据权利要求2所述的一种应用，其特征在于：步骤s2中，用丙酮和乙醇的混合溶液将产物进行离心洗涤操作三次。

9.本发明还提供了一种与上述制备方法类似的纳米团簇催化剂，其特征在于：步骤s1中，只以铋源为前驱体，所述铋源为醋酸铋，其余制备过程相同，制得催化剂命名为bi ncs。

技术总结本发明提供一种界面工程构建的铋基纳米线催化剂在电催化还原二氧化碳的应用，该铋基纳米线催化剂为Bi/Bi<subgt;2</subgt;Te<subgt;3</subgt; NWs。本发明创新地将Bi/Bi<subgt;2</subgt;Te<subgt;3 </subgt;NWs作为催化剂应用于电催化还原二氧化碳，本催化剂对CO<subgt;2</subgt;还原为甲酸(HCOOH)表现出显著的选择性，与可逆氢电极相比，合成的Bi/Bi<subgt;2</subgt;Te<subgt;3</subgt; NWs在‑0.8~‑1.2V的电势范围内始终保持90%以上的法拉第效率(FE)，其中HCOOH在‑1.0V电势下的FE达到97.2%；本发明通过水热实验设计了基于Bi/Bi<subgt;2</subgt;Te<subgt;3</subgt;异质结构的纳米线，制备方法简单，应用性好。由于在NWs表面暴露了Bi/Bi<subgt;2</subgt;Te<subgt;3</subgt;界面，界面上的Bi‑Te配位位点表现出催化协同作用，界面电场在Bi/Bi<subgt;2</subgt;Te<subgt;3</subgt;异质结构中引起电子极化效应，由于这种电荷的重新分配，向费米能级靠近或向上移动，从而显著影响反应过程的催化性能。技术研发人员：王娟,杨震锐,王任,金辉乐,王舜受保护的技术使用者：温州大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11