[发明专利]一种用于人工光合成的Bi/Cu催化剂的制备方法

说明书

一种用于人工光合成的Bi/Cu催化剂的制备方法，电沉积溶液的制备：将氯化铋BiCl₃，柠檬酸钠C₆H₉Na₃O₉加入1mol/L以上浓度的盐酸溶液中，充分搅拌溶液至BiCl₃完全溶解，溶液呈透明状，得到电沉积溶液；电沉积反应：以泡沫铜为阴极，碳棒为阳极组成一对电极，然后将电极浸入制备好的电沉积溶液中，进行恒电位沉积反应，沉积3‑6C的电荷量得到Bi/Cu催化剂。由于酸性条件下会发生置换反应，铜基底表面的Cu被置换到溶液中后再次沉积到基底上，形成了以铜为骨架的珊瑚状Bi/Cu催化剂。本发明通过人工光合成制备得到的Bi/Cu催化剂具有很高的CO₂还原选择性。

技术领域

本发明属于电催化CO₂还原技术领域，具体涉及一种用于人工光合成的Bi/Cu催化剂的制备方法。

背景技术

随着人类探索疆域的拓展，载人深空探索已成为当前国际太空活动的热点，它必须解决地外生存过程面临基本的物质与能量需求问题。“人工光合成”不仅可以实现密闭空间的O₂循环再生，而且可以利用CO₂原位资源生产燃料，实现人类地外生存，支撑可持续的载人深空探索任务。而其核心在于设计合适的催化剂提高产氧效率以及对CO₂还原的选择性和效率。

作为一种潜在的CO₂固定技术，电催化还原CO₂一直是人们关注的焦点，但也面临着低效率，高过电位和低选择性的问题。开发和设计良好的电催化剂是提高CO₂还原反应效率的关键挑战。近年来，各种非贵金属材料作为CO₂催化剂得到了广泛的应用，其中铋基电催化材料作为CO₂转化为甲酸的高效、高选择性的电催化剂受到广泛关注。许多研究在制备Bi催化剂的过程中以Cu为基底，关注Bi的构效关系。一些报道认为，泡沫铜为Bi的沉积提供了一个高导电性的三维结构。因此，它们提高了CO₂的转化效率。然而，作为CO₂还原的电催化材料，铜基底是否作为CO₂还原的电催化剂仍有待讨论。

发明内容

本发明的目的是，确定在铜基体上沉积铋后铜的功能和演化过程，并将其应用于人工光合成的CO₂还原反应中。本发明在泡沫铜上电沉积了珊瑚状Bi/Cu催化剂。结果表明，少量Cu已溶解并重新沉积在Bi/Cu电催化剂上。经过长时间CO₂转化，泡沫铜表面复合材料中Bi、Cu的比例逐渐稳定。同时，催化剂的形貌转变为纳米针状，表明Cu从催化剂表面向骨架转移。通过优化，Bi/Cu材料实现了尤其是地外人工光合成应用下CO₂转化为甲酸盐的高活性和高选择性。我们的工作为铋基CO₂还原催化剂的材料设计和优化提供了实验依据。

本发明目的的技术解决方案是：一种用于人工光合成的Bi/Cu催化剂的制备方法，步骤为：1)电沉积溶液的制备：将氯化铋(BiCl₃)，柠檬酸钠(C₆H₉Na₃O₉)加入1mol/L以上浓度的盐酸溶液中，充分搅拌溶液至BiCl₃完全溶解，溶液呈透明状，得到电沉积溶液；

2)电沉积反应：以泡沫铜为阴极，碳棒为阳极组成一对电极，然后将电极浸入步骤1)制备好的电沉积溶液中，进行恒电位沉积反应，沉积3-6C的电荷量得到Bi/Cu催化剂。

以上Bi/Cu催化剂再处理的步骤：预处理：对电沉积反应完成后的Bi/Cu电极清洗干燥；将其浸入25mL 0.5mol/L的KHCO₃溶液中作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂丝作为对电极，在H型电解池中通入CO₂气至饱和，对其进行50圈的扫描循环伏安处理得到制备好的催化剂；