涡流剪切驱动铋元素在空气中水相转化制备二维氧碳酸铋纳米片及其应用潜力

本研究发现利用涡流流体装置（VFD）在空气中通过高速剪切力将铋粉在水中直接转化为二维氧碳酸铋（2D BOC）纳米片，无需表面活性剂或添加剂。该过程通过微米级拓扑流体流动产生的高剪切机械能引发铋熔化并自发氧化，进而与大气CO2反应生成超薄（≤15.7 nm）正交晶系BOC纳米片。该方法绿色高效，为二氧化碳捕获与转化（CO2RR）及光催化应用提供了新材料平台。

　　

引言

二维纳米材料（2D NMs）因其独特的物理化学性质在能源、催化和电子领域具有广泛应用前景。二维氧碳酸铋（Bi₂O₂CO₃，BOC）作为一种层状结构材料，在可见光催化、污染物降解和二氧化碳还原（CO₂RR）方面表现出优异性能。传统合成方法存在模板剂残留、能耗高和工艺复杂等问题。本研究提出一种基于涡流流体装置（VFD）的绿色合成策略，直接在水中通过高剪切力将元素铋转化为二维BOC纳米片。

实验方法

将100目铋粉在空气中研磨后分散于Milli-Q水中，浓度分别为0.5、1和2 mg·mL^?1，经短暂超声处理后置于VFD石英管（直径20 mm或50 mm）中。在倾斜角θ=45°、转速ω=5k rpm（标准装置）或2k rpm（大型装置）条件下处理10-30分钟。反应后通过离心去除未反应铋颗粒，收集上清液中的二维材料进行表征。采用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱和扫描透射电子显微镜（STEM）等技术对产物形貌、结构和组成进行分析。

结果与讨论

SEM显示原始铋颗粒尺寸约为50 μm，研磨后降至2-20 μm。经VFD处理后形成片状纳米结构，横向尺寸为1-3 μm，平均厚度为9-15.7 nm（AFM验证）。STEM图像明确显示层状排列结构，层间距为0.79 nm，晶格间距0.29 nm对应BOC的（103）晶面。XRD证实产物为正交晶系BOC（PDF#04-014-4950），仅含少量α-Bi₂O₃杂质。拉曼光谱在1068 cm^?1处出现碳酸根ν₁对称伸缩特征峰，进一步证实BOC形成。

反应机制涉及VFD内独特的拓扑流体流动：旋转产生的科里奥利力形成微米级旋转顶（ST）流，在石英管界面产生局部高温（＞271.4℃）使铋熔化，随后被空气氧化为Bi₂O₃，并与溶解的CO₂反应生成BOC。热重-差示扫描量热（STA）分析显示BOC在269.1℃发生放热相变，转化为单斜相Bi₂O_{3，重量损失5.25%对应于碳酸盐分解。}

结论

本研究开发了一种无需添加剂、室温水相合成二维BOC纳米片的新方法，产率约28%。VFD产生的高剪切流体场不仅能实现铋的熔化和氧化，还促进大气CO₂的高效传质反应。所得BOC纳米片具有规整的层状结构和热稳定性，在CO₂捕获与光催化领域具有应用潜力。该方法绿色高效，可扩展至大型VFD装置，为二维材料制备和碳减排技术提供了新思路。