一种铋烯催化剂及其制备方法、应用

本申请涉及一种铋烯催化剂及其制备方法、应用，属于催化剂制备。

背景技术：

1、目前，全世界致力于解决因过量使用化石燃料造成大气中存在过量二氧化碳而引起的一系列环境问题。将二氧化碳电催化还原为具有高附加值的化学品是解决大气中过量二氧化碳的重要途经。其次，采用电催化途径将二氧化碳转化成高附加值化学品具有较高的效率，且主要消耗电能这一清洁能源。目前，电化学催化能将二氧化碳还原成各种含碳量不同的产物，包括一氧化碳、甲烷、甲酸、乙醇、乙烷、乙烯、乙酸、丙醇等。

2、作为一种常见的工业化学品，甲酸(hcooh)具有高净值以及较高的商业价值，并被大量用于化学工业以及制药工业。其次，甲酸同样是一种氢传递体，被广泛用于质子交换膜燃料电池中。因此，将二氧化碳直接还原成甲酸具有良好的工业化应用前景，而这将依赖于高效的产甲酸催化剂。铋金属是一种较优异的产甲酸催化剂，然而其在超高电流下产甲酸的选择性依然面临巨大挑战。

技术实现思路

1、考虑到实际工业应用，优选在中性或碱性环境中进行电催化二氧化碳还原，因为能产生较大的产物电流以并同时抑制竞争性的析氢反应。为了解决现有的问题，本发明提供了一种铋烯催化剂，所述铋烯催化剂由碘化铋被还原剂还原得到。此催化剂对甲酸的生成具有较高的选择性。在h型电解槽中，在较广的电势下，甲酸的选择性均可高于90％，在气体扩散电解槽中，其产甲酸的电流能在较低的过电势下达到商业要求的200ma·cm-2，且甲酸的选择性依旧高达95％。该合成方法简单可控、周期短，便于大规模生产。

2、根据本申请的第一方面，提供了一种铋烯催化剂，所述铋烯催化剂由碘化铋被还原剂还原得到。

3、可选地，所述还原剂选自硼氢化钠。

4、可选地，所述铋烯催化剂为聚集的层状结构，层数在4-6层，厚度为1.45-1.65nm。

5、可选地，所述铋烯催化剂具有分散的铋元素。

6、具体地，本申请中所合成的铋烯催化剂具有明显的二维片状结构，具有较强的二氧化碳吸附能路，并展露出大量不易暴露的晶面，这有利于吸附电催化二氧化碳还原中的甲酸中间体。因此，这非常有利于二氧化碳还原产甲酸。

7、根据本申请的第二方面，提供了一种上述铋烯催化剂的制备方法，所述制备方法包括：

8、步骤s1，将碘化铋与有机溶剂混合，得到碘化铋溶液；

9、步骤s2，将所述碘化铋溶液与还原剂溶液混合，得到所述铋烯催化剂。

10、可选地，所述有机溶剂选自乙二醇乙醚。

11、可选地，所述碘化铋与有机溶剂的质量体积比为(0.59-1.18)：(30-60)g/ml。

12、可选地，所述还原剂溶液的浓度为0.01-0.04mol/l。

13、可选地，所述制备方法包括：

14、(1)将有机溶剂与碘化铋混合，搅拌，得到碘化铋溶液；

15、(2)将所述碘化铋溶液进行超声分散溶解；

16、(3)将超声分散溶解后的碘化铋溶液中通入非活性气体，并保持搅拌；

17、(4)将所述步骤(3)得到的碘化铋溶液升温；

18、(5)将所述步骤(4)得到的碘化铋溶液降至室温后加入还原剂溶液，离心，洗涤后得到所述铋烯催化剂。

19、具体地，所述步骤(3)的目的是排除和隔绝空气。

20、在一具体实施方式，所述制备方法包括：

21、(1)在四口锥形瓶中加入乙二醇乙醚，随后加入碘化铋，并在磁力搅拌器上搅拌均匀；

22、(2)将四口锥形瓶放入超声水池中超声进行分散溶解。在磁力搅拌器上继续搅拌；

23、(3)向四口锥形瓶中通入氩气以排除和隔绝空气，保持搅拌一段时间；

24、(4)将四口锥形瓶升温并维持一段时间；

25、(5)将降至室温的四口锥形瓶中逐滴加入硼氢化钠溶液并保持搅拌得到黑色沉淀，后离心，醇洗和水洗得到金属铋烯还原催化剂。

26、可选地，所述非活性气体选自氩气。

27、可选地，在所述步骤(1)中，搅拌的时间为15-30min。

28、可选地，在所述步骤(2)中，超声分散溶解的时间为15-30min。

29、可选地，在所述步骤(3)中，非活性气体的流速为20-50ml/min。

30、可选地，在所述步骤(4)中，升温至100-140℃。

31、可选地，在所述步骤(5)中，加入所述还原剂溶液的速度为1-3ml/min。

32、根据本申请的第三方面，提供了一种上述铋烯催化剂在二氧化碳电催化制备甲酸盐中的应用。

33、可选地，铋烯催化剂在二氧化碳电催化制备甲酸盐中的应用的场景包括h型电解槽和工业相关的气体扩散电解槽。

34、本申请提供的铋烯催化剂，在工业相关的气体扩散电解槽中，采用1m氢氧化钾为电解液，在催化电流高于200ma/cm2时，其二氧化碳转化为甲酸盐的选择性仍旧高达95％。

35、本申请能产生的有益效果包括：

36、本发明制备的层状金属铋烯作为阴极催化剂将二氧化碳还原并制备甲酸盐，具有成本低廉、制备方法简单、催化性能优异等特点。此催化剂对甲酸盐的生成具有较高的选择性。在h型电解槽中，在非常广的电势范围下，二氧化碳转化为甲酸盐的选择性均高达90％，在气体扩散电解槽中，工业电流下其甲酸盐的选择性仍旧高达95％。

技术特征：

1.一种铋烯催化剂，其特征在于，所述铋烯催化剂由碘化铋被还原剂还原得到。

2.根据权利要求1所述的铋烯催化剂，其特征在于，所述还原剂选自硼氢化钠。

3.根据权利要求1所述的铋烯催化剂，其特征在于，所述铋烯催化剂为聚集的层状结构，层数在4-6层，厚度为1.45-1.65nm；

4.权利要求1至3任一项所述的铋烯催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂选自乙二醇乙醚。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述碘化铋与有机溶剂的质量体积比为(0.59-1.18)：(30-60)g/ml。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述还原剂溶液的浓度为0.01-0.04mol/l。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，搅拌的时间为15-30min；

10.权利要求1至3任一项所述的铋烯催化剂在二氧化碳电催化制备甲酸盐中的应用。

技术总结本发明公开了一种铋烯催化剂及其制备方法、应用，所述铋烯催化剂由碘化铋被还原剂还原得到。此催化剂对甲酸的生成具有较高的选择性。在H型电解槽中，在较广的电势下，甲酸的选择性均可高于90％，在气体扩散电解槽中，其产甲酸的电流能在较低的过电势下达到商业要求的200mA/cm<supgt;2</supgt;，且甲酸的选择性依旧高达95％。该合成方法简单可控、周期短，便于大规模生产。技术研发人员：柴国良,夏东,庞泳喻受保护的技术使用者：中国科学院福建物质结构研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/20