一种锡掺杂氯氧铋电催化剂及其制备方法和应用

本发明属于电催化的制备，具体涉及一种锡掺杂氯氧铋电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、双氧水是一种绿色氧化剂，具有广泛的应用，包括纸浆和织物漂白、化学合成、废水处理、和采矿。社会对双氧水杀菌剂得需求大大增强。

2、目前，高浓度双氧水的制备仍依赖于蒽醌法生产，但是蒽醌法生产的双氧水需要进一步的提纯、纯化和精馏来达到商业双氧水的标准，这就造成了有机溶剂污水的大量排放，并且高浓度双氧水的储存和运输中也存在着巨大的安全隐患。氢气、氧气直接合成双氧水虽然可以直接打到商业双氧水的标准，但是其生产过程中易爆炸，同样不适合大规模的生产应用。

3、相比以上方法，电催化产双氧水作为一种更加绿色、安全、低成本、现场即产即用的方式引起了大多数人的关注。通过电化学阴极的还原反应可以将氧气还原成双氧水，但是其合成方式存在着二电子和四电子两种还原途径。因此，催化剂对双氧水的选择性成为当前评价双氧水催化剂的一个重要指标。制作一种高选择性，高稳定性和低成本的催化剂成为双氧水研究的重中之重。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种锡掺杂氯氧铋电催化剂及其制备方法和应用，本发明采用了简单水热法一步合成锡掺杂氯氧铋电催化剂，具有高选择性的电催化产双氧水催化剂。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种锡掺杂氯氧铋电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、1)将铋盐、锡盐以及氯源分散在去离子水中，超声至固体全部溶解；

5、2)将步骤1)分散好的液体转移到反应釜内衬中，反应釜内衬再置入不锈钢反应器中，放入烘箱进行水热反应；

6、3)反应结束后，将步骤2)的体系自然冷却到室温，分离出固体产物，清洗以去除残留物，干燥，即得到锡掺杂氯氧铋电催化剂。

7、进一步地，步骤1)中所述的铋盐为氯化铋、硝酸铋、硫酸铋、碳酸铋中的至少一种。

8、进一步地，步骤1)中所述的锡盐为四氯化锡、二氯化锡中的至少一种。

9、进一步地，步骤1)中氯源为氯化钠、氯化钾中的至少一种。

10、进一步地，步骤1)中氯源和铋盐的摩尔比为0.5-2:1，优选为0.8-1.2:1；锡盐和铋盐的摩尔比为0.02-0.1:1，优选为0.04-0.06:1。

11、进一步地，步骤2)所述的水热温度为140～200℃；水热时间为12～24h，优选15～16h。

12、一种采用上述的制备方法制备得到的一种锡掺杂氯氧铋电催化剂，锡元素为铋元素基底的摩尔质量含量的2～10at％，优选为4～6at％。

13、一种锡掺杂氯氧铋电催化剂在电催化产双氧水中的应用，电催化过程在借助旋转圆盘电极构筑的四电极体系中进行，将锡掺杂氯氧铋电催化剂粉末配备成悬浊液涂覆在旋转圆盘电极的玻碳区域上作为工作电极，铂环区域作为环电极，铂丝作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，koh水溶液作为电解液，向电解液中持续通入氧气，进行电催化产双氧水的反应。

14、工作电极的制备过程如下：将锡掺杂氯氧铋电催化剂同质量浓度为5％的nafion溶液及无水乙醇混合，nafion溶液及无水乙醇体积比0.1-3：9，混合后电催化剂的浓度为1-5mg/ml，超声分散均匀后涂覆在旋转圆盘电极的玻碳区域上，用红外烘灯烘干后得到工作电极，于四电极体系电解池中进行电催化反应。

15、进一步地，koh水溶液的浓度是0.05-0.2mol/l，优选为0.1mol/l。

16、本发明与现有技术相比，具有以下优势：

17、1)原料易获取且毒害性小，成本低廉，制备步骤简单，可重复性良好；

18、2)反应条件相对温和，制备过程安全隐患少；

19、3)通过上述技术制备的锡掺杂氯氧铋电催化剂，通过简单水热的方式使锡掺杂在氯氧铋中，控制锡元素在氯氧铋基底上的元素含量(2～10at％)。本发明通过锡元素掺杂的方式改变了氯氧铋的电子结构，增强了氯氧铋在碱性条件下对过氧中间体的选择性，对氧还原产双氧水的选择性高达92.9％，法拉第效率达93.6％，此外该催化剂还具有良好的电催化稳定性，显现出一定的实际应用潜力。

技术特征：

1.一种锡掺杂氯氧铋电催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种锡掺杂氯氧铋电催化剂的制备方法，其特征在于步骤1）中所述的铋盐为氯化铋、硝酸铋、硫酸铋、碳酸铋中的至少一种。

3.如权利要求1所述的一种锡掺杂氯氧铋电催化剂的制备方法，其特征在于步骤1）中所述的锡盐为四氯化锡、二氯化锡中的至少一种。

4.如权利要求1所述的一种锡掺杂氯氧铋电催化剂的制备方法，其特征在于步骤1）中氯源为氯化钠、氯化钾中的至少一种。

5.如权利要求1所述的一种锡掺杂氯氧铋电催化剂的制备方法，其特征在于步骤1）中氯源和铋盐的摩尔比为0.5-2:1，优选为0.8-1.2:1；锡盐和铋盐的摩尔比为0.02-0.1:1，优选为0.04-0.06:1。

6.如权利要求1所述的一种锡掺杂氯氧铋电催化剂的制备方法，其特征在于步骤2）所述的水热温度为140 ~200 ℃；水热时间为12~24 h，优选15~16 h。

7.一种采用如权利要求1-6任一所述的制备方法制备得到的一种锡掺杂氯氧铋电催化剂，锡元素为铋元素基底的摩尔质量含量的2~10 at%，优选为4~6at%。

8.一种如权利要求7所述的锡掺杂氯氧铋电催化剂在电催化产双氧水中的应用，其特征在于借助旋转圆盘电极构筑的四电极体系中进行，将锡掺杂氯氧铋电催化剂粉末配备成悬浊液涂覆在旋转圆盘电极的玻碳区域上作为工作电极，铂环区域作为环电极，铂丝作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，koh水溶液作为电解液，向电解液中持续通入氧气，进行电催化产双氧水的反应。

9.如权利要求8所述的应用，其特征在于工作电极的制备过程如下：将锡掺杂氯氧铋电催化剂同质量浓度为5%的nafion溶液及无水乙醇混合，nafion溶液及无水乙醇体积比0.1-3：9，混合后电催化剂的浓度为1-5mg/ml，超声分散均匀后涂覆在旋转圆盘电极的玻碳区域上，用红外烘灯烘干后得到工作电极，于四电极体系电解池中进行电催化反应。

10.如权利要求8所述的应用，其特征在于koh水溶液的浓度是0.05-0.2mol/l，优选为0.1mol/l。

技术总结本发明公开了一种锡掺杂氯氧铋电催化剂及其制备方法和应用，本发明催化剂主要成分为氯氧铋和锡，通过简单水热的方式使其锡掺杂在氯氧铋中，控制锡元素在氯氧铋基底上的元素含量（2~10 at%）。本发明通过锡元素掺杂的方式改变了氯氧铋的电子结构，增强了氯氧铋在碱性条件下对过氧中间体的选择性，该催化剂达到了92.9%的优良电催化产双氧选择性，以及93.6%的法拉第效率，并且表现出来在长时间的电催化稳定性；有利于双氧水原位生产的进一步利用。技术研发人员：张世杰,王亚冰,江乘航,李愿安受保护的技术使用者：浙江工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18