[发明专利]表面电子定域的氧化铋纳米片及其在电催化二氧化碳还原和锌-二氧化碳电池中的应用

说明书

本发明公开了一种表面电子定域的氧化铋纳米片(m‑BiO_2‑x)及其在电催化二氧化碳还原和锌‑二氧化碳电池中的应用。BiO_2‑x纳米片的制备方法包括如下步骤：铋酸钠和氢氧化钠的混合水溶液进行水热反应；水热反应得到的产物与抗坏血酸混合后经研磨即得。本发明m‑BiO_2‑x展现了较好的电催化还原CO₂为甲酸盐的催化活性，同时将其用于Zn‑CO₂电池，m‑BiO_2‑x作为电极的Zn‑CO₂电池也展现了较高的最大能量密度和较为稳定的充放电循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种表面电子定域的氧化铋纳米片及其在电催化二氧化碳还原和锌-二氧化碳电池中的应用，属于化学技术领域。

背景技术

化石燃料的过度使用导致了空气中CO₂浓度过高，破坏了自然界的碳循环，从而引发了一系列的环境问题。利用可再生能源产生的电能将CO₂催化还原为具有经济价值的化工产品，是实现CO₂清洁、高效利用的重要途径。在CO₂还原的众多产物中，甲酸盐是一种高价值的液体产物，在化工生产和燃料电池中有着广泛的应用。然而，目前电催化CO₂还原制备甲酸盐的效率相对较低，离工业化生产的要求仍有较大距离。开发高性能的催化剂是解决这一问题的有效途径。截至到目前为止，各种金属 Sn、In、Cd、Pb、Bi已经被应用于电催化CO₂还原制备甲酸盐。尤其是，Bi基催化剂由于其价格低廉、在地壳中储量丰富、无毒等优势，被广泛应用电催化CO₂还原制备甲酸盐研究。众所周知，催化剂的电子结构对催化性能有着显著的影响。目前一般采用杂原子掺杂的方式来调节催化剂的电子结构，进而提升其催化性能。但这种方法不仅需要较为繁琐的合成过程，而且由于催化剂的组成复杂，使得对反应机理的研究困难。因此，开发非掺杂的Bi基催化剂体系实现高效电催化CO₂还原制备甲酸盐是具有重要意义的研究课题，但也具有挑战性。

发明内容

本发明的目的是提供一种表面电子定域的BiO_2-x纳米片(m-BiO_2-x)及其在电催化CO₂还原和Zn-CO₂电池中的应用。

本发明所提供的表面电子定域的BiO_2-x纳米片的制备方法，包括如下步骤：

S1、铋酸钠和氢氧化钠的混合水溶液进行水热反应；

S2、所述水热反应得到的产物与抗坏血酸混合后经研磨即得。

上述的制备方法中，步骤S1中，所述铋酸钠与所述氢氧化钠的摩尔比为1：3～9，如1：6；

所述混合水溶液中，所述铋酸钠的摩尔浓度为0.1～0.2mol/L，如0.167。

上述的制备方法中，步骤S1中，所述水热反应的温度为140～220℃，时间为1～12h，可在聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中进行；

将所述混合水溶液在室温下剧烈搅拌后再转移至所述不锈钢反应釜中。

上述的制备方法中，步骤S1中，所述水热反应后包括如下步骤：

所述水热反应的反应体系降至室温后离心收集固体产物，然后采用水洗涤，离心分离后进行干燥。

上述的制备方法中，步骤S2中，所述产物与所述抗坏血酸的质量比为1：0.5～3，如1：1；

采用水洗涤所述研磨后的混合物并干燥，可洗涤多次，如六次。

本发明提供的表面电子定域的BiO_2-x纳米片能够作为电催化剂用于电催化还原CO₂制备甲酸盐(室温和常压下)。