一种氟修饰金属铋的电催化剂及其制备方法和应用

本发明涉及纳米材料和电催化，具体为一种氟修饰金属铋的电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、电化学还原二氧化碳(eco2r)是将二氧化碳分子转化为增值化学品，同时实现碳中和目标的一种很有前途的手段。甲酸是经济可行的产品之一，具有较好的经济效益。在过去的几十年里，各种金属基材料被eco2r开发成甲酸产物的电活性催化剂。在这些催化剂中，性价比高的铋基材料由于其有利于吸附二氧化碳生成*ocho中间体的能力而受到广泛关注，成为eco2r产甲酸的良好催化剂。然而，尽管铋基材料具有独特的优势，但在宽电位范围内对甲酸的高活性和选择性仍然是一个具有挑战性的问题。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种氟修饰金属铋的电催化剂及其制备方法和应用，解决了上述背景技术中提出的问题。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

5、根据本发明的第一方面，提供了一种氟修饰金属铋的电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

6、s1、将含有五水合硝酸铋、乙二醇和乙醇的透明溶液进行一次水热处理，得到bi2o3粉末；

7、s2、将含有所述bi2o3粉末和nh4f的水溶液进行二次水热处理，得到biof前驱体；

8、s3、将所述biof前驱体分散于含有乙醇和萘酚的混合溶液中，超声处理，得到浆料；

9、s4、将所述浆料喷涂于碳纸上，通过原位电化学还原得到f-bi电催化剂。

10、本发明通过水热法将bi2o3粉末和nh4f反应，直接转化成具有强电负性及更小离子半径的氟离子修饰的biof前驱体粉末，在经过原位电还原处理将biof前驱体粉末转变成氟离子修饰的金属铋材料，实现材料电子结构和活性位点的同步优化。

11、优选的，步骤s1中，所述五水合硝酸铋的质量与所述乙二醇的体积比为1g：15～20ml；

12、所述五水合硝酸铋的质量与所述乙醇的体积比为1g：30～40ml；

13、其中，所述乙二醇与所述乙醇的体积比为1:2。

14、优选的，步骤s1中，所述一次水热处理的温度为140～160℃，所述一次水热处理的时间为4～6h。

15、优选的，步骤s1中，将含有五水合硝酸铋、乙二醇和乙醇的透明溶液进行超声处理15～60min后再进行一次水热处理。

16、优选的，步骤s2中，所述bi2o3粉末与所述nh4f的摩尔比为1～15:1。

17、优选的，步骤s2中，所述二次水热处理的温度为120～150℃，所述二次水热处理的时间为12～15h。

18、优选的，步骤s2中，将含有所述bi2o3粉末和nh4f的水溶液进行超声处理后再进行二次水热处理。

19、优选的，所述一次水热处理和二次水热处理均在带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中进行。

20、优选的，步骤s3中，所述biof前驱体的质量与所述乙醇的体积比为1g：300～400ml；

21、所述biof前驱体的质量与所述萘酚的体积比为1g：1.5～2.2ml；

22、其中，所述乙醇与所述萘酚的体积比为180:1。

23、优选的，步骤s4中，所述原位电化学还原采用循环伏安法，所述循环伏安法的扫描次数为20～40次，所述循环伏安法的扫描速度为30～60mv s-1。

24、根据本发明的第二方面，提供了一种根据上述制备方法得到的氟修饰金属铋的电催化剂，包括铋单质和氟离子，所述氟离子对所述铋单质进行掺杂，所述电催化剂为粒状纳米结构，所述电催化剂的粒径为20～500nm。

25、优选的，所述电催化剂中氟离子与铋单质的摩尔比为1:1～15。

26、根据本发明的第三方面，提供了一种氟修饰金属铋的电催化剂在eco2r制备甲酸盐和zn-co2电池领域中的应用。

27、(三)有益效果

28、本发明提供了一种氟修饰金属铋的电催化剂及其制备方法和应用。具备以下有益效果：

29、1、本方案提供的一种氟修饰金属铋的电催化剂的制备方法，通过水热法将bi2o3粉末和nh4f反应，直接转化成具有强电负性及更小离子半径的氟离子修饰的biof前驱体粉末，再通过原位电化学还原biof前驱体，实现了对金属铋材料的定向转化。制备方法简单，易于控制，具有广泛的实用性。

30、2、本方案提供的一种氟修饰金属铋的电催化剂，通过氟掺杂显著提升了铋基材料的电催化活性，应用于电催化二氧化碳还原成甲酸盐的反应中表现出高活性和优异的稳定性，在宽电位窗口内，催化剂能够实现超过90％的甲酸盐法拉第效率，且在循环测试中显示出良好的稳定性。此外，该电催化剂在可充放电zn-co2电池体系中展现高的功率密度，证明了其在能源存储和转换中潜在的应用价值。

31、3、本方案提供的一种氟修饰金属铋的电催化剂的制备方法，设备简单，化工原料常见，仅通过烘箱和电化学工作站便可以实现电催化剂的快速批量生产，提高了生产效率，且对环境友好。

技术特征：

1.一种氟修饰金属铋的电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种氟修饰金属铋的电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述五水合硝酸铋的质量与所述乙二醇的体积比为1g：15～20ml；

3.根据权利要求1所述的一种氟修饰金属铋的电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述一次水热处理的温度为140～160℃，所述一次水热处理的时间为4～6h。

4.根据权利要求1所述的一种氟修饰金属铋的电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述bi2o3粉末与所述nh4f的摩尔比为1～15:1。

5.根据权利要求1所述的一种氟修饰金属铋的电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述二次水热处理的温度为120～150℃，所述二次水热处理的时间为12～15h。

6.根据权利要去1所述的一种氟修饰金属铋的电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述biof前驱体的质量与所述乙醇的体积比为1g：300～400ml；

7.根据权利要求1所述的一种氟修饰金属铋的电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述原位电化学还原采用循环伏安法，所述循环伏安法的扫描次数为20～40次，所述循环伏安法的扫描速度为30～60mv s-1。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的制备方法得到的氟修饰金属铋的电催化剂，其特征在于，包括铋单质和氟离子，所述氟离子对所述铋单质进行掺杂，所述电催化剂为粒状纳米结构，所述电催化剂的粒径为20～500nm。

9.根据权利要求8所述的一种氟修饰金属铋的电催化剂，其特征在于，所述电催化剂中氟离子与铋单质的摩尔比为1:1～15。

10.一种权利要求8或9所述的氟修饰金属铋的电催化剂在eco2r制备甲酸盐和zn-co2电池领域中的应用。

技术总结
本发明提供一种氟修饰金属铋的电催化剂及其制备方法和应用。所述制备方法包括以下步骤：S1、将含有五水合硝酸铋、乙二醇和乙醇的透明溶液进行一次水热处理，得到Bi<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;粉末；S2、将含有所述Bi<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;粉末和NH<subgt;4</subgt;F的水溶液进行二次水热处理，得到BiOF前驱体；S3、将所述BiOF前驱体分散于含有乙醇和萘酚的混合溶液中，超声处理，得到浆料；S4、将所述浆料喷涂于碳纸上，通过原位电化学还原得到F‑Bi电催化剂。本发明通过上述制备方法得到的电催化剂，通过氟掺杂显著提升了铋基材料的电催化活性，在宽电位窗口内，催化剂能够实现超过90％的甲酸盐法拉第效率，且在循环测试中显示出良好的稳定性。此外，该电催化剂在可充放电Zn‑CO<subgt;2</subgt;电池体系中展现高的功率密度。

技术研发人员：陈鹏作,吴文波,童赟
受保护的技术使用者：浙江理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16