一种用于人工光合成的Bi/Cu催化剂的制备方法技术

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

【技术实现步骤摘要】
一种用于人工光合成的Bi/Cu催化剂的制备方法


[0001]本专利技术属于电催化CO2还原
，具体涉及一种用于人工光合成的Bi/Cu催化剂的制备方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是，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。本专利技术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。
[0005]本专利技术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；
[0006]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。
[0007]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；
[0008]人工光合成性能测试：以预处理后的Bi/Cu电极作为工作电极，如所述的三电极体系中进行人工光合成的CO2还原性能测试。包括产物法拉第效率测试，电流密度测试和稳定
性测试；
[0009]制得的珊瑚状Bi/Cu催化剂在可用于人工光合成中并进行CO2还原催化反应。
[0010]进一步，步骤1)中，所述必须添加C6H9Na3O9且其的物质的量要保证远大于BiCl3的物质的量。
[0011]步骤1)中所述HCl溶液的浓度选1.2mol/L浓度的HCl溶液，抑制Bi
3+
的水解反应。
[0012]步骤2)中所述采用恒电位沉积时，电压范围选择-0.12～-0.15V；所述催化剂的铋铜化学计量数之比为9:1～1:1。
[0013]步骤2)中所述采用恒电位沉积得到催化剂后立即用去离子水多次冲洗并干燥。
[0014]所述扫描循环伏安步骤的电压范围为0～-1.2V vs.RHE，此时所述催化剂的铋铜化学计量数之比范围为9:1～1:1。所述人工光合成的CO2还原性能测试电压范围为-0.7～-1.2V vs.RHE。
[0015]有益效果：与最接近的现有技术相比，本专利技术提供的技术方案具有如下特点：
[0016](1)本专利技术首次证实了以铜为底物时，铜参与了CO2还原反应，催化剂的形态和比例的变化会影响催化反应的性能。Bi/Cu形态的演变伴随着整个CO2还原过程，Bi/Cu的比例对CO2电化学转化为HCOOH起着重要作用。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。
[0017](2)本专利技术制备得到的Bi/Cu催化剂在整个过程中由纳米珊瑚转变成纳米片状最后形成纳米针状。尤其是用于在地外人工光合成的CO2还原反应中，本专利技术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，发现Bi/Cu催化剂的最大甲酸法拉第效率为95％，最大电流密度为59.68mA/cm-2
。保持至少13h的稳定性。
附图说明
[0018]图1为本实施例中所制备的Bi/Cu催化剂的SEM图像；
[0019]图2为本实施例中所制备的Bi/Cu催化剂预处理后的SEM图像；
[0020]图3为本实施例中所制备的Bi/Cu催化剂经过长时间CO2转化后的SEM图像；
[0021]图4为本实施例中所制备的Bi/Cu催化剂的CO2还原产物的法拉第效率及甲酸的部分电流密度图像；
[0022]图5为本实施例中所制备的Bi/Cu催化剂进行CO2还原稳定性测试图像。
具体实施方式
[0023]下面参考附图并结合实施例对本专利技术做进一步详细描述，可以使本专业技术人员更加全面地理解本专利技术。同时本专利技术中的数据只针对本专利技术，在不脱离本专利技术构思的前提下，合理地若干调整和改进，都属于本专利技术的保护范围。
[0024]本专利技术提供一种用于人工光合成的Bi/Cu催化剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0025]实施例1
[0026]1)电沉积溶液的制备：将0.3153g氯化铋(BiCl3)，1.47g柠檬酸钠(C6H9Na3O9)加入50ml 1.2mol/L的HCl溶液中，充分搅拌溶液至完全溶解，溶液呈透明状得到电沉积溶液。
[0027]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，沉积约3C的电荷量得到Bi/Cu催化剂。
[0028]步骤1)中所述必须添加C6H9Na3O9且其的物质的量要保证远大于BiCl3的物质的量。
[0029]步骤1)中所述HCl溶液的浓度要在1mol/L以上并快速搅拌，优选1.2mol/L浓度的HCl溶液，从而抑制Bi
3+
的水解反应。
[0030]步骤2)中所述采用恒电位沉积时，电压范围选择-0.12～-0.15V。沉积电荷量范围为3～6C，所述催化剂的铋铜化学计量数之比为9:1。
[0031]步骤2)中所述采用恒电位沉积得到催化剂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于人工光合成的Bi/Cu催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：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。2.根据权利要求1所述的用于人工光合成的Bi/Cu催化剂的制备方法，其特征在于，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；人工光合成性能测试：以预处理后的Bi/Cu电极作为工作电极，如所述的三电极体系中进行人工光合成的CO2还原性能测试。包括产物法拉第效率测试，电流密度测试和稳定性测试；制得的珊瑚状Bi/Cu催化剂在可用于人工光合成中并进行CO2还原催化反应。3.根据权利要求1所述的用于人工光合成的Bi/Cu催化剂的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李梦璐，姚颖方，李文博，宋文涛，吴聪萍，邹志刚，
申请(专利权)人：江苏三得再生资源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：