[发明专利]一种掺杂锰的铁酸铋纳米线及其制备方法与应用

说明书

本发明属于环境修复与能源技术领域，特别涉及一种掺杂锰的铁酸铋纳米线及其制备方法与应用。本发明通过水热法制得的掺杂锰的铁酸铋纳米线片具有显著的压电效应，该催化剂在超声作用下会产生形变，从而发生电势极化，产生大量电子，这些电子可以高效催化二氧化碳还原生成甲烷和一氧化碳，对环境友好，可重复利用价值高。本发明是一种新的且具有成本效益的二氧化碳还原方法，工艺流程简单，可操作性强，具有广阔应用前景。

技术领域

本发明属于环境修复与能源技术领域，特别涉及一种掺杂锰的铁酸铋纳米线及其制备方法与应用。

背景技术

减少大气中CO₂含量，对环境保护及人类社会的可持续发展具有非常重要的意义。与传统低效的收集或捕获等手段相比，将CO₂资源化是一种更环保、更富前景的处理手段。目前，基于光催化、电催化、生物转化等技术手段已在CO₂还原反应中广泛使用。其中，利用半导体材料和催化技术将CO₂转化成高附加值的化工产品，如甲烷(CH₄)、一氧化碳(CO)和甲醇(CH₃OH)等，不仅可以有效降低大气中CO₂浓度，还可以实现碳资源的循环利用，对缓解能源危机、实现可持续发展都具有重大意义。

目前，利用太阳光驱动钙钛矿纳米材料进行催化反应由于光电性质优异、荧光效率高等特性，已经成为最广泛的CO₂还原技术手段之一。早在2009年，李鑫等人用改性的铁酸铋材料对光催化CO₂还原进行了研究【李鑫等，碳纳米管改性铁酸铋光催化还原CO₂合成甲醇，DOI:10.14062/j.issn.0454-5648.2009.11.017】。然而，铋系光催化材料存在还原效率低、光稳定性差等缺点。同时，太阳光能源虽说取之不尽，但也不是随时随处可得，收集捕获上具有一定难度，在利用率上存在一定的局限性。而钙钛矿材料也只有在严苛的光照条件下才能具备较高的光催化活性，这也无法充分发挥太阳光这种清洁能源的优势。因此，探索开创新型的催化还原CO₂技术迫在眉睫。

水流带动的机械能是可再生资源的典型代表，而由此应运而生的压电效应是催化还原CO₂技术的一大创新突破口。所谓压电效应是指通过超声、搅拌、水流和挤压等方式对压电材料施加机械应力，使压电材料内部发生电势极化，产生大量电子和空穴。极化出来的电子可以在CO₂还原反应中充当还原性的活性物质，实现CO₂的高效还原。

铁酸铋(BiFeO₃)是一种常见的无铅钙钛矿型压电材料，通过对其施加机械应力(例如超声、搅拌和挤压等)可使铁酸铋片层内部发生极化，产生电子和空穴。但现有铁酸铋的压电效应不够明显。同时作为铁电材料，铁酸铋的泄漏电流较大，会致使其不具有良好的稳定性，这个缺陷一直局限其发展。

发明内容

为了克服上述光催化技术和传统铁酸铋纳米片材料的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种掺杂锰的铁酸铋纳米线的制备方法；

本发明另一目的在于提供上述方法制备得到的掺杂锰的铁酸铋纳米线；

本发明再一目的在于提供上述掺杂锰的铁酸铋纳米线在催化还原CO₂中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种制备掺杂锰的铁酸铋纳米线的方法，具体通过以下步骤制备得到：

(1)将铋盐、铁盐和锰盐混合溶解在有机溶剂中，然后加入水并继续搅拌得到混合溶液，将混合溶液的pH值调节呈碱性，得到沉淀物；

(2)将步骤(1)所得沉淀物分散在水中得到悬浮液，再加入强碱，搅拌后再加入聚乙二醇，继续搅拌；将所得混合物进行水热反应后得到掺杂锰铁酸铋纳米线材料。