一种硫化铜-硫化铋异质结纳米片催化剂及制备和应用方法技术

本发明专利技术涉及一种硫化铜

【技术实现步骤摘要】
一种硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片催化剂及制备和应用方法


[0001]本专利技术属于纳米材料的制备与应用领域，涉及一种硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片催化剂及制备和应用方法，具体涉及一种用于电催化二氧化碳还原的硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]二氧化碳(CO2)广泛存在于地球大气和海洋中，其含碳量是煤炭、石油和天然气的10倍[International Journal of Hydrogen Energy.2021,46(9):6180
‑
6187]。由于经济和工业化的快速发展，全球能源需求和燃料使用量不断增加，大量的CO2还在持续不断的排放到大气中，截止2021年2月全球大气CO2平均浓度已达到415.88ppm。而CO2浓度的持续增加给环境造成巨大压力，全球温度不断上升，极端恶劣天气频发。为了缓解CO2含量增加带来的生态环境问题，除节能减排、发展可再生能源外，实现CO2的资源化利用，是解决上述问题的有效方法之一。然而，作为碳元素最高价态的CO2，化学性质极为稳定，通常其转化过程需要催化剂的助力。
[0003]常见的CO2化学转化方式有热催化转化、电催化转化以及光催化转化，与其它两种催化转化方式相比，CO2电催化还原法(CO2RR)具有如下优势：(1)使用可再生能源作为动力，避免额外的碳排放；(2)反应过程可以在常压、常温下进行；(3)反应过程中不额外消耗氢气。因此，CO2RR具有极大的研究价值和应用前景，是目前CO2资源化利用领域的研究热点。但是CO2RR过程中各产物(CO、甲酸、乙烯等)的生成电位接近，再加上电解水产氢(HER)的影响，致使产物选择性较差。此外，CO2RR过程中电流密度偏小、催化剂稳定性不高以及产物对电压变化敏感等问题限制了其工业化应用。
[0004]在众多CO2RR产物中，甲酸具有较高的附加价值，与现有化学法制备甲酸相比，CO2电催化合成甲酸在经济性上具有较为明显的优势，因此相关催化剂的开发一直是人们关注的热点。在众多催化剂中，金属Bi基材料以毒性低、环境友好及成本较低等优点，成为CO2RR制备甲酸的重要催化剂之一。Min等通过直接电沉积的方式，在导电性优良的铜基底上生长了Bi纳米枝晶，该催化剂在
‑
0.74V的电位下得到89％的甲酸盐法拉第效率(ACS Catal.,2017,7,5071)；Lee等人利用脉冲电沉积的方式在铜片上沉积暴露更多边缘的Bi纳米片，该催化剂能够在
‑
0.4V的超低电位下达到79.5％的甲酸盐法拉第效率(Nano Energy,2017,39,44)；Jin等利用液相剥离法制备了超薄的二维Bi纳米片，这种超薄的纳米片具有更多的活性位点，能够达到86％的甲酸盐法拉第效率和
‑
16.5mA cm
‑2的电流密度(J.Am.Chem.Soc.,2001,123,9904)。虽然铋基材料在CO2RR制备甲酸中取得了一定的进展，但是电流密度相对较低、长时间稳定性较差以及高法拉第效率生成甲酸(大于90％)的电位窗口窄等问题限制了其工业化应用。

技术实现思路

[0005]要解决的技术问题
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片催化剂及制备和应用方法，针对现有铋基二氧化碳电还原用催化剂存在的问题。本专利技术设计了一种具有优异电催化还原二氧化碳制备甲酸活性的硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片催化剂，借助铜的掺杂有效提高CO2RR的电流密度，同时提高铋基催化剂的稳定性，为其工业化应用奠定基础。
[0007]技术方案
[0008]一种硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片催化剂，其特征在于元素组成的表达式为CuS
‑
Bi2S3，组份为质量比为1:4～1:1的CuS和Bi2S3；所述纳米片中包含硫化铜
‑
硫化铋异质结的活性组分，硫化铜和硫化铋的微晶区，两种微晶区间存在界面。
[0009]所述硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片催化剂为一种具有粗糙表面的片状结构，其中的硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片大小为200
‑
300nm、厚度为2
‑
3nm。
[0010]一种所述硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片催化剂的制备方法，其特征在于步骤如下：
[0011]步骤1：取25
‑
40mg L
‑
半胱氨酸、50
‑
100mg硝酸铋以及15
‑
30mg铜盐，加入50～100mL溶剂中，室温搅拌30
‑
60分钟，得到混合溶液；
[0012]步骤2：加入3
‑
6mL乙醇胺，继续搅拌20
‑
40分钟；
[0013]步骤3：将所得的溶液转移至水热反应釜中，在120
‑
140℃温度下，保温2
‑
14h；降温后，经抽滤或离心分离得到硫化铜
‑
硫化铋即CuS
‑
Bi2S3的异质结纳米片催化剂粗样品；
[0014]步骤4：将CuS
‑
Bi2S3粗样品用洗涤剂洗涤、离心，以除去未反应的金属盐及乙醇胺；
[0015]步骤5：然后在惰性气体氛围、50
‑
80℃下干燥后得到硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片催化剂；
[0016]上述试剂用量同等比例放大或缩小。
[0017]所述L
‑
半胱氨酸溶液浓度为1mmol/L
‑
2mmol/L。
[0018]所述铜盐为硝酸铜、氯化铜、硫酸铜中的一种或它们的任意比例混合物。
[0019]所述溶剂为去离子水或乙醇或两者任意比例混合物。
[0020]所述洗涤剂为去离子水、甲醇、乙醇等醇类以及它们的任意比例混合物，最佳洗涤次数为2
‑
3次。
[0021]所述惰性气体为氦气、氮气、氩气中的任意一种或它们任意比例的混合气体。
[0022]所述步骤5干燥温度为50
‑
80℃时的干燥时间为5
‑
18h。
[0023]一种所述硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片催化剂的应用方法，其特征在于：用于碱性条件下催化CO2电还原制备甲酸。
[0024]有益效果
[0025]本专利技术提出的一种硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片催化剂及制备和应用方法，涉及具有优异电催化还原二氧化碳(CO2RR)制备甲酸活性的硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片催化剂，硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片催化剂包含大量的活性组分；所述活性组分为硫化铜
‑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片催化剂，其特征在于元素组成的表达式为CuS
‑
Bi2S3，组份为质量比为1:4～1:1的CuS和Bi2S3；所述纳米片中包含硫化铜
‑
硫化铋异质结的活性组分，硫化铜和硫化铋的微晶区，两种微晶区间存在界面。2.根据权利要求1所述硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片催化剂，其特征在于：所述硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片催化剂为一种具有粗糙表面的片状结构，其中的硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片大小为200
‑
300nm、厚度为2
‑
3nm。3.一种权利要求1或2所述硫化铜
‑
硫化铋异质结纳米片催化剂的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：取25
‑
40mg L
‑
半胱氨酸、50
‑
100mg硝酸铋以及15
‑
30mg铜盐，加入50～100mL溶剂中，室温搅拌30
‑
60分钟，得到混合溶液；步骤2：加入3
‑
6mL乙醇胺，继续搅拌20
‑
40分钟；步骤3：将所得的溶液转移至水热反应釜中，在120
‑
140℃温度下，保温2
‑
14h；降温后，经抽滤或离心...

【专利技术属性】
技术研发人员：张和鹏，沈海东，杨少伟，赵一科，张秋禹，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：