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微米级横向尺寸Bi 纳米片

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已有 268 次阅读 2021-9-27 07:52 |系统分类:科研笔记

首届奇材馆先进材料评选竞赛

展品名称:微米级横向尺寸Bi 纳米片

材料类别:电催化材料

创作者名称:王丹

所属学校: 江南大学

参赛论文:CO2 Electroreduction to Formate at a Partial Current Density up to 590 mA mg−1 via Micrometer-Scale Lateral Structuring of Bismuth Nanosheets

科研笔记:

大铋片高效率

       利用可再生电能电催化CO2还原得到有价值的化学原料和燃料为实现CO2资源化利用提供了一项有前景的策略。作为CO2RR的重要液态产物,甲酸广泛应用于能源和工业领域,如储氢、燃料电池等。近些年来,无毒、价廉的金属Bi因可高选择性电催化CO2RR制甲酸,且仅以H2和产量几乎可忽略的CO作为副产物,引起了研究者们的广泛关注。但块体金属Bi电催化CO2还原的起始电位高(> −0.8 V vs. RHE),电流密度小(≤ 10 mA cm−2),且在仅不超过30 mV的电位范围内产甲酸的法拉第效率高于90%,制约了其商业化开发的进程。

       为了改善Bi基催化剂在CO2还原反应中的催化活性,需要从纳米尺度上对材料进行合理的结构设计。金属Bi具有与黑磷类似的层状晶体结构,层与层之间主要以较弱的范德华力相互支撑,在一定的条件下,借助合适的外力作用可获得纳米化的Bi催化剂。与Bi纳米颗粒和纳米尺寸的Bi片相比,微米级横向尺寸的Bi纳米片更倾向于平铺在电极表面,易暴露出更多的催化活性位点,而有利于界面电荷的快速转移,有望提高电催化CO2RR的转化效率。

       考虑到金属铋的热不稳定性和氧化倾向,本研究利用阴极电化学剥离法,在还原性电解质水液中进行微米级横向尺寸Bi纳米片(Bi LNSs )的可控合成。另外,在电化学剥离过程中,阳离子的插层作用也会引起剥落的Bi LNSs的结构中存在晶格拉伸应变,而进一步提升其电催化CO2 还原的本征活性。电解结果显示,所制备的Bi LNSs于流动型电解池中,在−0.44 ~ −1.10 V vs. RHE宽电位范围内,产甲酸的法拉第效率均高于90%,产甲酸的分电流密度在-1.10 V vs. RHE 电位下可稳定在590 mA mg−1(远高于目前常见报道的纳米级Bi片的200 mA mg−1),实现了大铋片高选择性和高效电催化CO2还原制甲酸的目标。


       相关工作以“CO2 Electroreduction to Formate at a Partial Current Density up to 590 mA mg−1 via Micrometer-Scale Lateral Structuring of Bismuth Nanosheets”为题,发表在Small (DOI: 10.1002/smll.202100602)上。

展品简介/创新点:

 与Bi纳米颗粒和纳米尺寸的Bi片相比,微米级横向尺寸的Bi纳米片更倾向于平铺在电极表面,易暴露出更多的催化活性位点,有利于界面电荷的快速转移,而提高电催化CO2还原的转化效率。

性质:

Bi与黑磷具有类似的层状晶体结构,层与层之间主要以较弱的范德华力相互支撑,在合适的外力作用下易被剥离成纵向纳米尺寸厚度横向微米尺寸的大铋片。

展品应用领域:

Bi纳米片对CO2还原的竞争反应HER具有固有的惰性,可高选择性电催化CO2制甲酸,具有很好的工业化前景,为了进一步提高其电催化CO2的反应速率,设计可在电极表面暴露出更多催化活性位点的微米级横向尺寸的Bi纳米片,实现高选择性和高效电催化CO2还原制甲酸。

展品参数:

中文名

微米级横向尺寸Bi 纳米片

英文名

Micrometer-scale lateral structuring of bismuth nanosheets

简称

Bi LNSs

制备方法

电化学剥离法



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