[发明专利]二氧化碳电化学还原单质铋催化剂及其制备和应用

说明书

本发明提供了二氧化碳电化学还原催化剂的制备及应用，所述的二氧化碳电化学还原催化剂其特征在于，包括微纳级单质铋催化剂，所述的微纳级单质铋催化剂由水溶液化学还原方法合成，制备方法包括：将硝酸铋和水合肼混合溶液加热并回流，进行化学还原反应，固体产物洗涤离心分离后，真空干燥得微纳级单质金属铋，具有鲜明的(012)晶面。本发明的微纳级单质金属铋催化剂对二氧化碳还原具有高的催化活性和选择性，所需过电势低，提高了能量效率。此外，本发明的催化剂制备方法操作简单、条件温和、产率高，易于工业化生产。

技术领域

本发明属于二氧化碳电化学还原催化剂制备及应用领域，特别涉及一种高效的微纳级单质铋催化剂的制备及其在二氧化碳电化学还原中的应用。

背景技术

随着工业的迅速发展，大量一次能源如煤炭、石油、天然气等燃料消耗，一方面产生了世界范围的资源短缺，另一方CO₂等温室气体的过量排放引起自然平很已经难以承受的环境污染。减少碳排放，寻找替代化石燃料的新能源，已成为当今全球关注的焦点。CO₂作为一种丰富、潜在的C1原料，可用于生产化学品和燃料，减少甚至替代当前化石燃料的使用[Dalton Trans.，39，3347-3357(2010)]。然而，由于CO₂本身中心对称的线性分子(O＝C＝O)结构，决定了其化学性质的“惰性”，只有在特殊的环境下才能发生反应，如较高的温度、压力或特殊催化剂。电化学还原技术可以在常温常压条件下，利用太阳能、风能、潮汐能等可再生能源所产生的绿色电能，将CO₂直接转换为有用的化学品及低碳燃料如：甲酸、甲醇、CO和甲烷等碳氢化合物，并且其反应过程具有可控性，通过改变电解条件，如电极电势、温度、电解液调控整个还原反应体系[Chem.Soc.Rev.，43(2014)631-675]。此外，电化学反应系统还具有结构紧凑和易于规模化等特点[ChemSusChem，4(2011)1301-1310]，因而被认为是进行CO₂能源的转换和利用有效手段之一。目前，在水溶液体系中，金属锡被认为是CO₂电化学还原产甲酸最有效的一种催化剂。然而，在电化学还原过程中，其需要较高的过电势，能量效率低，造成了能源的浪费[J.Am.Chem.Soc.，134(2012)1986-1989]。此外，在反应过程中金属锡催化剂容易失活，稳定性也远不能满足实际产业化的需求[ChemSusChem，4(2011)1301-1310]。因此，开发新型的具有高活性、高选择性和性能稳定的CO₂电化学还原催化剂是孜待解决的问题。

铋作为一种环境友好同时又较经济的一种金属，是一种理想的催化剂选择[J.Am.Chem.Soc.，136(2014)8361-8367]。然而，铋用于CO₂电催化还原产甲酸的研究报道却非常少见。针对上述问题，本发明中我们成功制备了微纳级单质金属Bi并应用高活性，高选择性且稳定的CO₂电催化还原催化剂。特别是该催化剂制备方法简单，条件温和，易于工业化生产，对于CO₂电化学还原的研究具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高活性、高选择性的微纳级单质金属铋催化剂及其制备方法及其在二氧化碳催化还原中的应用。该催化剂通过简单的水溶液化学还原方法制备而得。通过有效调控反应条件(时间、温度)，获得具有微纳级单质金属Bi催化剂，在二氧化碳还原过程中不仅选择性高，并且可降低过电势，提高能量效率，同时有效抑制二氧化碳还原过程中伴随的竞争析氢反应。同时所选用气体扩散电极通过提供丰富的孔隙以及气-液-固三相界面，减少传质阻力，提高CO₂的利用率和转化率，从而提高法拉第效率。制备方法简单、产量大、尤其适合于工业化生产。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种二氧化碳电化学还原催化剂，其特征在于，包括由水溶液化学还原方法合成的微纳级单质金属铋催化剂。