一种负载铋颗粒的碳纸及其制备方法和应用

本发明涉及电催化，具体涉及一种负载铋颗粒的碳纸及其制备方法和应用。

背景技术：

1、大气中二氧化碳(co2)浓度的上升会带来诸多环境问题(例如：温室效应)，因此开发可持续、环境友好的能源转换技术进行co2的再利用具有重要意义。电催化co2还原反应具有反应条件温和、操作简便、容易控制等优点，且还可以利用可再生的太阳能和风能来提供电能，是实现co2转化的有效途径之一。然而，由于co2中的c＝o键(碳氧键的离解能为803kj/mol)非常稳定，难以断裂，且在电催化过程中还会发生竞争性的析氢副反应，因此需要催化剂来促进二氧化碳的电还原过程。

2、电催化co2还原的众多产物(例如：甲酸、co、甲醇、多碳化合物)中，甲酸具有用途多元化、附加价值高、市场需求大的优势，因此电化学还原co2制备甲酸技术具有很好的发展前景。电催化co2还原产甲酸的催化剂(例如：sn、hg、pb、in、bi等)中，bi具有无毒、来源丰富、价格低廉等优点，具有很好的实际应用前景。目前，常用的bi颗粒制备方法是恒压电沉积法，是采用bi盐作为起始原料，在恒定的负电位下将bi离子还原，从而得到bi单质颗粒。然而，由于bi盐的溶解性有限，在电解液中的浓度较低，会影响恒定电位下bi的沉积速率，进而影响bi沉积的形貌、结构等。此外，电沉积所得的bi颗粒与基底的结合较弱，bi颗粒容易脱落，会直接影响后续的使用稳定性。

3、因此，开发一种低成本、绿色环保、高活性、与基底结合牢固、适用于电化学还原co2制备甲酸的催化剂具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种负载铋颗粒的碳纸及其制备方法和应用。

2、本发明所采取的技术方案是：

3、一种负载铋颗粒的碳纸的制备方法包括以下步骤：

4、将铋盐、乙二胺四乙酸二钠和十六烷基三甲基溴化铵分散在水中，再以铂电极为对电极、碳纸为工作电极、银/氯化银电极为参比电极进行脉冲电沉积，即得负载铋颗粒的碳纸。

5、优选地，所述铋盐、乙二胺四乙酸二钠(edta-2na)、十六烷基三甲基溴化铵(ctab)的摩尔比为1:10～20:0.1～1。

6、优选地，所述铋盐为硝酸铋、硫酸铋、氯化铋中的至少一种。

7、优选地，所述脉冲电沉积的操作参数为：沉积电压为-0.8v～-1.4v vs ag/agcl，脉冲占空比为40％～80％，沉积次数为18次～54次。

8、优选地，所述脉冲电沉积在室温下进行。

9、优选地，所述碳纸在使用前进行过水洗、乙醇清洗和干燥。

10、优选地，所述脉冲电沉积结束后对碳纸进行过水洗和干燥。

11、优选地，所述干燥的方式为空气中自然干燥。

12、一种负载铋颗粒的碳纸，其由上述制备方法制成。

13、优选地，所述负载铋颗粒的碳纸上的铋颗粒的粒径为5μm～25μm。

14、一种如上所述的负载铋颗粒的碳纸用作电催化co2还原产甲酸的催化剂的应用。

15、本发明的有益效果是：本发明的负载铋颗粒的碳纸具有活性高、bi颗粒与碳纸的结合牢靠、制备方法简单、生产成本低、安全环保等优点，将其用于电催化co2还原可以发挥优异的催化性能，且稳定性优异，适合进行大规模生产应用。

16、具体来说：

17、1)本发明通过表面活性剂改善了bi颗粒与碳纸基底的结合能力，沉积得到的bi颗粒不易脱落，用于co2电还原体系可以表现出优异的稳定性；

18、2)本发明的负载铋颗粒的碳纸用于co2电还原体系可以表现出优异的甲酸法拉第效率(最高可达94.5％)；

19、3)本发明使用脉冲电沉积增加了离子从溶液扩散到工作电极表面的时间，以及多个可调参数能够控制bi沉积的形貌结构，可以形成更均匀的微观结构，提高了催化性能；

20、4)本发明的负载铋颗粒的碳纸的制备方法简单易行，原材料来源广泛且价格低廉，对设备要求低，制备过程可控、环保、无强酸强碱产生，易于实现产品的大批量制备，应用前景十分广阔。

技术特征：

1.一种负载铋颗粒的碳纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将铋盐、乙二胺四乙酸二钠和十六烷基三甲基溴化铵分散在水中，再以铂电极为对电极、碳纸为工作电极、银/氯化银电极为参比电极进行脉冲电沉积，即得负载铋颗粒的碳纸。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述铋盐、乙二胺四乙酸二钠、十六烷基三甲基溴化铵的摩尔比为1:10～20:0.1～1。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述铋盐为硝酸铋、硫酸铋、氯化铋中的至少一种。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述脉冲电沉积的操作参数为：沉积电压为-0.8v～-1.4v vs ag/agcl，脉冲占空比为40％～80％，沉积次数为18次～54次。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述脉冲电沉积在室温下进行。

6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述碳纸在使用前进行过水洗、乙醇清洗和干燥。

7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述脉冲电沉积结束后对碳纸进行过水洗和干燥。

8.一种负载铋颗粒的碳纸，其特征在于，由权利要求1～7中任意一项所述的制备方法制成。

9.根据权利要求8所述的负载铋颗粒的碳纸，其特征在于：所述负载铋颗粒的碳纸上的铋颗粒的粒径为5μm～25μm。

10.一种如权利要求8或9所述的负载铋颗粒的碳纸用作电催化co2还原产甲酸的催化剂的应用。

技术总结
本发明公开了一种负载铋颗粒的碳纸及其制备方法和应用。本发明的负载铋颗粒的碳纸的制备方法包括以下步骤：将铋盐、乙二胺四乙酸二钠和十六烷基三甲基溴化铵分散在水中，再以铂电极为对电极、碳纸为工作电极、银/氯化银电极为参比电极进行脉冲电沉积，即得负载铋颗粒的碳纸。本发明的负载铋颗粒的碳纸具有活性高、Bi颗粒与碳纸的结合牢靠、制备方法简单、生产成本低、安全环保等优点，将其用于电催化CO<subgt;2</subgt;还原可以发挥优异的催化性能，且稳定性优异，适合进行大规模生产应用。

技术研发人员：王红娟,贺小燕,余皓,王浩帆,曹永海
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/8