离子液体体系中电还原CO2可控形成单个CO纳米气泡的方法

离子液体体系中电还原co2可控形成单个co纳米气泡的方法
技术领域
1.本发明涉及电分析化学及微观界面纳米科学领域，具体涉及离子液体体系中电还原co2可控形成单个co纳米气泡的方法。


背景技术：

2.气泡广泛存在化工绿色生产、能源高效转化、高端材料合成等过程，气泡行为极大影响物质转化和能量利用效率。根据经典成核理论，气-液-固界面气泡较体相气泡的成核能垒更低，存在更为广泛，对过程影响更大。
3.尤其在电催化反应过程中，通常会伴随电极表面气体的产生或消耗。在产气反应中，需要气泡快速扩散溢出从而释放电极表面活性位点，维持电极表面反应的稳定性；在耗气反应中，则希望气泡在电极表面均匀铺展，形成丰富的“气液固”三相界面从而实现反应速率与选择性的提升。因此对其本质特征和运动规律的认识是精准设计新型结构反应器的关键，对节能减排和提高产品质量具有重要意义。
4.当前人们对微米以上尺寸气泡行为的认识较为深刻，但更小尺寸的纳米气泡的研究尚属空白，原因之一是纳米气泡尺寸小且成核时间极短，采用现有仪器无法精确获得纳米气泡尺寸，也难以在纳米尺度上快速捕捉并对其微观行为进行实时动态观测和研究。
5.针对界面纳米气泡形成过程具有快速演变的特点，本发明利用纳米电极在离子液体体系中进行co2电还原反应，来控制产生单个co纳米气泡，重现性和稳定好，为界面纳米气泡的成核行为、演变规律以及界面上气体逸出机制等的研究提供了一种简便高效的方法。


技术实现要素：

6.本发明提出了离子液体体系中电还原co2可控形成单个co纳米气泡的方法，以离子液体溶液为电解液，纳米尺寸电极作为工作电极，通入co2进行电还原反应，通过调控反应体系中离子液体类型、水含量、电极半径、电压扫描速度等因素，获得了单个co纳米气泡的成核过程，在纳米尺寸电极表面可控产生单个co纳米气泡。
7.本发明具体实施方案如下：将一定量的离子液体与乙腈溶剂进行复配，再加入适量的水；向离子液体溶液中通入氩气除去液相中的氧气，再通入co2进行饱和；使用三电极体系，在饱和co2的离子液体溶液中进行伏安扫描，监测电流变化，判断气泡形成。
8.使用的离子液体中阳离子为咪唑类阳离子：3-甲基咪唑、1-乙基-3-甲基咪唑、1-丁基-3-甲基咪唑，阴离子为：四氟硼酸根、六氟磷酸根、双三氟甲磺酰亚胺根，由其中一种或多种阴阳离子构成，将离子液体加入到无水乙腈中，复配离子液体浓度为0.1～1mol/l，向复配溶液中加入去离子水，水含量为溶液质量的1％wt～10％wt。
9.氩气除氧后，再通入co2进行饱和，饱和后移出co2气路至液面上方，保证电解池处于co2饱和氛围。
10.伏安扫描在双层法拉第屏蔽笼内进行，使用的纳米电极尺寸20nm～250nm，伏安测试电压扫描速度10mv/s～500mv/s，电压范围0～-3.0v，进行电化学还原co2，实验监测电流变化，电流发生突变即形成单个co纳米气泡，记录电流发生突变时的过电位和峰值电流。
附图说明
11.图1为co纳米气泡成核cv测试曲线；
12.图2为未出现纳米气泡成核的cv测试曲线；
具体实施方式
13.下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。所描述的实施例仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明。
14.实施例1
15.离子液体体系中电还原co2可控形成单个co纳米气泡的方法，包括如下步骤：
16.使用离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([bmim][bf4])与乙腈复配，离子液体浓度为1mol/l，加入水含量5％wt，氩气气速80ml/min，除氧时间15min；向溶液中通入50ml/min co2饱和15min，饱和后移出co2气路至液面上方；使用表观半径为31nm的金纳米电极做工作电极，ag/agcl为参比电极，pt丝为对电极。循环伏安测试电压范围0～-2.5v，扫描速度100mv/s。
[0017]
纳米气泡成核后迅速覆盖电极表面，导致电流突变，co纳米气泡成核cv曲线如图1所示，电压负向扫描，电流出现突变并只有一个峰值电流，说明在金纳米电极上形成了单个co纳米气泡，其中电流突变可作为纳米气泡成核的特征依据。经对比未通入co2的体系，图2未出现电流突变，说明未形成纳米气泡，因此本发明中在31nm金电极上形成的是单个co纳米气泡，成核过电位-2.36v，成核临界电流-16.28na。
[0018]
实施例2
[0019]
离子液体体系中电还原co2可控形成单个co纳米气泡的方法，包括如下步骤：
[0020]
使用离子液体1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([bmim][ntf2])与乙腈复配，离子液体浓度为1mol/l，加入水含量5％wt，氩气气速80ml/min，除氧时间15min；向溶液中通入50ml/min co2饱和15min，饱和后移出co2气路至液面上方；使用表观半径为20nm的金纳米电极做工作电极，ag/agcl为参比电极，pt丝为对电极。循环伏安测试电压范围0～-2.5v，扫描速度100mv/s。成核过程置于双层法拉第笼中进行，屏蔽外界电磁信号干扰。
[0021]
co纳米气泡成核后迅速覆盖电极表面，导致电流突变，形成的co纳米气泡成核过电位-2.31v，成核临界电流-15.05na。
[0022]
实施例3
[0023]
离子液体体系中电还原co2可控形成单个co纳米气泡的方法，包括如下步骤：
[0024]
使用离子液体[bmim][bf4]与乙腈复配，离子液体浓度为1mol/l，加入水含量5％wt，氩气气速80ml/min，除氧时间15min；向溶液中通入50ml/min co2饱和15min，饱和后移出co2气路至液面上方；使用表观半径为46nm的金纳米电极做工作电极，电极表观半径测试。ag/agcl为参比电极，pt丝为对电极。循环伏安测试电压范围0～-3.0v，扫描速度100mv/
s。成核过程置于双层法拉第笼中进行，屏蔽外界电磁信号干扰。
[0025]
co纳米气泡成核后迅速覆盖电极表面，导致电流突变，形成的co纳米气泡成核过电位-2.43v，成核临界电流-20.54na。
[0026]
实施例4
[0027]
离子液体体系中电还原co2可控形成单个co纳米气泡的方法，包括如下步骤：
[0028]
使用离子液体[bmim][bf4]与乙腈复配，离子液体浓度为1mol/l，加入水含量5％wt，氩气气速80ml/min，除氧时间15min；向溶液中通入50ml/min co2饱和15min，饱和后移出co2气路至液面上方；使用表观半径为120nm的金纳米电极做工作电极，ag/agcl为参比电极，pt丝为对电极。循环伏安测试电压范围0～-2.7v，扫描速度100mv/s。成核过程置于双层法拉第笼中进行，屏蔽外界电磁信号干扰。
[0029]
co纳米气泡成核后迅速覆盖电极表面，导致电流突变，形成的co纳米气泡成核过电位-2.29v，成核临界电流-64.43na。
[0030]
实施例5
[0031]
离子液体体系中电还原co2可控形成单个co纳米气泡的方法，包括如下步骤：
[0032]
使用离子液体[bmim][bf4]与乙腈复配，离子液体浓度为1mol/l，加入水含量5％wt，氩气气速80ml/min，除氧时间15min；向溶液中通入50ml/min co2饱和15min，饱和后移出co2气路至液面上方；使用表观半径为120nm的金纳米电极做工作电极，ag/agcl为参比电极，pt丝为对电极。循环伏安测试电压范围0～-2.7v，扫描速度500mv/s。成核过程置于双层法拉第笼中进行，屏蔽外界电磁信号干扰。
[0033]
co纳米气泡成核后迅速覆盖电极表面，导致电流突变，形成的co纳米气泡成核过电位-2.40v，成核临界电流-65.99na。
[0034]
实施例6
[0035]
离子液体体系中电还原co2可控形成单个co纳米气泡的方法，包括如下步骤：
[0036]
使用离子液体[bmim][bf4]与乙腈复配，离子液体浓度为1mol/l，加入水含量6％wt，氩气气速80ml/min，除氧时间15min；向溶液中通入50ml/min co2饱和15min，饱和后移出co2气路至液面上方；使用表观半径为215nm的金纳米电极做工作电极，ag/agcl为参比电极，pt丝为对电极。循环伏安测试电压范围0～-2.7v，扫描速度100mv/s。成核过程置于双层法拉第笼中进行，屏蔽外界电磁信号干扰。
[0037]
co纳米气泡成核后迅速覆盖电极表面，导致电流突变，形成的co纳米气泡成核过电位-2.60v，成核临界电流-131.00na。
[0038]
实施例7
[0039]
离子液体体系中电还原co2可控形成单个co纳米气泡的方法，包括如下步骤：
[0040]
使用离子液体[bmim][bf4]与乙腈复配，离子液体浓度为1mol/l，加入水含量7％wt，氩气气速80ml/min，除氧时间15min；向溶液中通入50ml/min co2饱和15min，饱和后移出co2气路至液面上方；使用表观半径为215nm的金纳米电极做工作电极，ag/agcl为参比电极，pt丝为对电极。循环伏安测试电压范围0～-2.7v，扫描速度100mv/s。成核过程置于双层法拉第笼中进行，屏蔽外界电磁信号干扰。
[0041]
co纳米气泡成核后迅速覆盖电极表面，导致电流突变，形成的co纳米气泡成核过电位-2.59v，成核临界电流-102.90na。