一种铋基自支撑电催化剂及其制备方法和在氮气还原产氨中的应用技术

本发明专利技术属于催化剂技术领域，具体涉及一种铋基自支撑电催化剂的制备及其在电催化氮气还原产氨中的应用。在用电化学方法处理过的碳材料基底上通过电化学方法固载Bi

A bismuth based self supporting electrocatalyst and its preparation method and application in ammonia production by nitrogen reduction

【技术实现步骤摘要】
一种铋基自支撑电催化剂及其制备方法和在氮气还原产氨中的应用
本专利技术属于催化剂材料领域，尤其涉及一种对氮气还原产氨具有催化性能的铋基自支撑电催化剂的制备及其在电催化氮气还原产氨反应中的应用。
技术介绍
氨(NH3)是当前人类社会最重要的化工原料之一，在农业、工业、纺织业等领域都有着非常重要的作用。氨气容易液化存储运输，具有高能量密度(4.32KWh/L)，同时其氢含量为17.6wt％，是非常稳定的氢能载体，并可解离生成氢气。当今社会对于氨气的需求日益增加，但是现阶段工业上氨的生产主要通过传统的Haber-Bosch法，该法条件苛刻(高温高压)、污染大(排放大量二氧化碳)、能耗大(生产过程中消耗的能量约占世界年能量消耗的1％)。近年来，随着绿色可持续发展理念的提出，开发一种绿色可持续发展的产氨方法刻不容缓。电催化氮气还原法是在常温、常压下通过电能将氮气和水转化为氨气。研究发现，氧化铋对氮气还原产氨有很好的响应。剥离的碳纸相比于传统碳纸具有比表面积大、可固载位点多、层间距大等优点，可以调节氧化铋纳米粒子的固载量。因此将氧化铋纳米粒子固载到剥离碳纸上，会具有比传统碳纸上固载氧化铋拥有更高的催化活性，将极大促进电催化氮气还原产氨技术的发展。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种制备方法简单、重复性好、不需要粘结剂、固载量可调的铋基自支撑电催化剂的制备方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种铋基自支撑电催化剂，所述铋基自支撑电催化剂是于电化学方法处理过的碳材料基底上通过电化学方法固载Bi2O3催化剂纳米颗粒得到的铋基自支撑电催化剂。优选地，上述的一种铋基自支撑电催化剂，所述碳材料基底是碳纸。优选地，上述的一种铋基自支撑电催化剂的制备方法，方法如下：将用电化学方法处理后的碳纸作为工作电极，铂片电极作为对电极和参比电极，以铋的盐溶液作为电解液，在恒定电流密度下进行电沉积，将所得到的固载了Bi2O3催化剂纳米颗粒的碳材料基底取出，乙醇洗数次，真空干燥，得到铋基自支撑电催化剂Bi2O3@FEG。优选地，上述的一种铋基自支撑电催化剂的制备方法，所述的电沉积的电流密度为1mAcm-2，电沉积的时间为5-10min。优选地，上述的一种铋基自支撑电催化剂的制备方法，所述电化学方法处理后的碳纸，制备方法如下：以碳纸作为工作电极，甘汞电极作为参比电极，另一块碳纸作为对电极，碳纸通过CV在0.6到1.8V范围内处理，在去离子水中浸泡12h，碳纸通过i-t恒定电压下8000-10000s，用去离子水清洗数次，碳纸通过CV在-1到0.9V范围内处理，用清水清洗数次，冷冻干燥6h，然后在真空干燥箱中真空干燥12h，得到电化学方法处理后的碳纸FEG。优选地，上述的一种铋基自支撑电催化剂的制备方法，所述电解液是BiCl3的乙二醇溶液；制备方法为：将BiCl3加入到乙二醇中，室温下搅拌1h，得到BiCl3的乙二醇溶液。优选地，上述的一种铋基自支撑电催化剂的制备方法，所述的BiCl3的乙二醇溶液的浓度为0.2-0.5molL-1。上述的铋基自支撑电催化剂在电催化氮气还原产氨中的应用。优选地，上述的应用，方法如下：以H型电解池作为电解槽，以Na2SO4溶液作为电解液，以Ag/AgCl电极为参比电极，铂片为对电极，Bi2O3@FEG夹在铂电极夹上直接作为工作电极。在氮气氛围下，进行电催化氮气还原产氨。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了一种简单可行的制备高效铋基催化剂的方法，本专利技术的方法在制备碳纸为基底的铋基催化剂材料中具有普适性，本专利技术方法所制备的催化剂Bi2O3@FEG在催化体系中可以实现高效回收再利用、在制备时无需使用粘结剂、层间距高、比表面积大，进一步提高了催化剂的催化效率，并且通过改变电沉积电解液的浓度和沉积时间，可以调节氧化铋催化剂纳米颗粒的固载量。本专利技术方法制备的催化剂材料在电催化氮气还原产氨方面具有很好的应用前景。附图说明：图1是实施例1制备的Bi2O3@FEG的SEM图。图2是实施例1制备的Bi2O3@FEG的TEM图。图3是实施例1制备的Bi2O3@FEG的合成示意图。图4是实施例2中电催化剂Bi2O3@FEG用于氮气还原产氨的产氨效率图。图5是实施例2中电催化剂Bi2O3@FEG用于氮气还原产氨的法拉第效率图。图6是实施例2中电催化剂Bi2O3@FEG用于氮气还原产氨的重复性测试的产氨效率图。图7是实施例1制备的Bi2O3@FEG的XRD图。具体实施方式实施例1铋基自支撑电催化剂(Bi2O3@FEG)(一)制备方法如下：1)FEG的制备：以碳纸作为工作电极，甘汞电极作为参比电极，另一块碳纸作为对电极。首先，碳纸通过CV于0.6到1.8V电压范围下以20mVs-1的扫速扫8圈，以25mL0.5molL-1K2CO3溶液作为电解液，在去离子水中浸泡12h。然后，碳纸通过i-t在1.8V恒定电压下扫9000s，以25mL0.5molL-1KNO3溶液作为电解液，用去离子水清洗数次。最后，碳纸通过CV在-1到0.9V电压范围下以50mVs-1的扫速扫50圈，以25mL3molL-1K2CO3溶液作为电解液，用清水清洗数次，冷冻干燥6h，然后在真空干燥箱中80℃真空干燥12h，得到电化学方法处理后的碳纸FEG。2)电解液BiCl3的乙二醇溶液的制备：称量0.3gBiCl3溶于25mL乙二醇中，在室温下磁力搅拌1h，得到电解液BiCl3的乙二醇溶液。3)Bi2O3@FEG的制备：以FEG作为工作电极，铂片电极作为对电极和参比电极，以BiCl3的乙二醇溶液作为电解液，在1mAcm-2的恒定电流密度下电沉积5min，将所得到的固载了Bi2O3催化剂纳米颗粒的碳材料基底取出，用乙醇洗数次，在真空干燥箱中70℃真空干燥24h，得到铋基自支撑电催化剂Bi2O3@FEG。(二)检测结果：图1是实施例1制备的Bi2O3@FEG的SEM图。从图1中可以看出Bi2O3纳米粒子大量且均匀的固载到了FEG的表面。图2是实施例1制备的Bi2O3@FEG的TEM图。从图2中可以看出催化活性物质Bi2O3均匀分布在FEG表面，没有发生明显团聚，有利于电催化氮气还原产氨。图3是实施例1制备的Bi2O3@FEG的合成图。从图3中可以看出FEG相比于普通碳纸层间距增加，比表面积增大，有利于催化活性物质的固载。图7是实施例1制备的Bi2O3@FEG的XRD图。从图7中可以看出我们成功制备出了Bi2O3，并成功将其固载到了FEG上。实施例2铋基自支撑电催化剂(Bi2O3@FEG)电催化氮气还原产氨实验方法：在环境条件下，以H型电解池作为电解槽，以0.1MNa2SO4溶液作为电解液，电解液体积为70mL，以Ag/AgCl电极为参比电极，铂片为对电极，Bi2O3@FEG夹在铂电极夹上直接作为工作电极。在氮气氛围下，进行电催本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铋基自支撑电催化剂，其特征在于，所述铋基自支撑电催化剂是于电化学方法处理过的碳材料基底上通过电化学方法固载Bi

【技术特征摘要】
1.一种铋基自支撑电催化剂，其特征在于，所述铋基自支撑电催化剂是于电化学方法处理过的碳材料基底上通过电化学方法固载Bi2O3催化剂纳米颗粒得到的铋基自支撑电催化剂。


2.根据权利要求1所述的一种铋基自支撑电催化剂，其特征在于，所述碳材料基底是碳纸。


3.权利要求2所述的一种铋基自支撑电催化剂的制备方法，其特征在于，方法如下：将用电化学方法处理后的碳纸作为工作电极，铂片电极作为对电极和参比电极，以铋的盐溶液作为电解液，在恒定电流密度下进行电沉积，将所得到的固载了Bi2O3催化剂纳米颗粒的碳材料基底取出，乙醇洗数次，真空干燥，得到铋基自支撑电催化剂Bi2O3@FEG。


4.根据权利要求3所述的一种铋基自支撑电催化剂的制备方法，其特征在于，所述的电沉积的电流密度为1mAcm-2，电沉积的时间为5-10min。


5.根据权利要求3所述的一种铋基自支撑电催化剂的制备方法，其特征在于，所述电化学方法处理后的碳纸，制备方法如下：以碳纸作为工作电极，甘汞电极作为参比电极，另一块碳纸作为对电极，碳纸...

【专利技术属性】
技术研发人员：马天翼，孙颖，邓子昭，李慧，王宇，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21