[发明专利]具有丰富活性位点的金属铋纳米片及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有丰富活性位点的金属铋(Bi)纳米片及其制备方法和应用。其制备方法包括以下步骤：将硝酸、铋源和溴源分散在溶剂中，搅拌混合均匀，再将所得溶液转移至水热釜中，反应得到具有丰富边沿位点的BiOBr纳米片；将所得的BiOBr‑edge前驱体制备成工作电极，在外加电压的条件下使其发生拓扑还原，得到具有丰富边沿位点和缺陷位点的Bi纳米片。本发明可以同时制备具有不同类型活性位点的铋纳米片，并且得到的纳米片具有较高的电化学活性面积和大量的暴露活性位点。该方法简单可控，并且本发明中的具有丰富活性位点的金属铋纳米片作为催化剂可以实现870mA cmsupgt;‑2/supgt;的大电流二氧化碳还原制备甲酸的应用，远高于工业生产100mA cmsupgt;‑2/supgt;的基本需求。

技术领域

本发明属于电化学及纳米材料技术领域，具体涉及一种具有丰富活性位点的金属铋纳米片及其制备方法和在二氧化碳还原领域中的应用。

背景技术

可再生能源(如太阳能和风能)由于其绿色和可持续的特点，正在发起一场能源革命。但是可再生能源的大规模使用需要克服其不稳定的特质，如克服季节和天气等间歇性因素对持续性电能供应需求的挑战。因此，社会的发展需要创建更先进的能源系统来储存和供应电力。一种极具前景和吸引力的策略是将二氧化碳通过电还原的方式转化为化学燃料，用于储存过剩的电能；而在需要电能的时刻，又可以通过电化学过程将化学燃料中的化学能重新转化为电能。通过这种策略，不仅可以储存可再生能源，还可以促进二氧化碳的循环利用，为实现碳中和的目标做出贡献。

在众多的CO₂还原产物中，甲酸盐不仅具有易于储存和运输的特点，同时也易于通过甲酸盐燃料电池将化学能重新释放为电能。因此，将CO₂通过电还原的方式转化为甲酸盐是一种极具潜力的可再生能源储存方式。近年来，铋(Bi)电催化剂因其优异的甲酸盐选择性、高析氢反应(HER)过电位、低毒性和低成本而备受关注。然而，现有的Bi电催化剂存在CO₂还原反应中电流密度低或反应电势高等缺点，这使得Bi电催化剂不足以应用于实际生产中。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种具有丰富活性位点的金属铋纳米片及其制备方法和应用，以实现满足工业生产需求的大电流(100mA cm^-2)电还原二氧化碳制备甲酸盐的目标。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种具有丰富活性位点的金属铋纳米片的制备方法，包括以下步骤：

S1、将硝酸、铋源和溴源分散在溶剂中，搅拌混合均匀，再将所得溶液转移至水热釜中，反应得到具有特定暴露位点的溴氧化铋纳米片前驱体；

S2、将溴氧化铋纳米片前驱体制备成工作电极，放入电解液中，在外加电压的条件下使其发生拓扑还原，得到具有高电化学活性面积和丰富活性位点的Bi纳米片。

进一步地：步骤S1中，硝酸、铋源与溴源的质量比为(1～1000)：(1～1000)：(1～1000)。

进一步地：步骤S1中，铋源包括硝酸铋、乙酸铋、三氟甲烷磺酸铋；溴源包括液溴、溴化钾、十六烷基三甲基溴化铵。

进一步地：步骤S1中，反应温度为10～300℃，反应时间为0.1～48h。

进一步地：步骤S2中，拓扑还原电位为0～-10.0V vs.RHE，还原时间为0.1～24h。

提供一种具有丰富活性位点的金属铋纳米片，该金属铋纳米片采用上述任一项的方法制备而成。具有丰富的边沿位点、平面位点和/或缺陷位点，同时其具有高电化学活性面积。

提供一种具有丰富活性位点的金属铋纳米片作为催化剂在电催化二氧化碳还原制备甲酸中的应用。

本发明的有益效果为：