[發明專利]一種制備氮摻雜納米金剛石的方法及其電催化應用

有效

• 申請號: 201310164418.1
• 申請日: 2013-05-07
• 公開（公告）號: CN103305807A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 全燮;劉艷明;陳碩;于洪濤
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C02F1/461;C02F1/70
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

技術領域

本發明屬于電化學技術領域，涉及一種制備氮摻雜納米金剛石的方法及其電催化應用。

背景技術

環境污染和能源短缺是當今社會面臨的兩大主要問題。工業廢水和生活污水的排放造成水體污染，嚴重危害人類健康，尤其是芳香鹵化物、偶氮染料和硝基苯類化合物等難降解、易生物累積、致癌、致畸和致突變的有毒污染物。因此開發一種高效、快速的水處理、環境分析與檢測方法對于減緩污染、盡快發現異常、確保人類安全健康是非常重要的。另一方面，化石燃料的消耗及其造成的溫室效應，急需尋找新的能源轉化和能源存儲方法。而電催化在水處理、傳感器、能量儲存和轉化、化合物的合成轉化等領域具有重要作用。它是一種很有前景的技術，不需要消耗化學品，能量效率高，環境友好，易于操作。目前這項技術的關鍵是尋找一種電催化活性高、電流效率高、穩定和導電性好的電催化材料。

已有一些文獻（Chemosphere?2004,?56,?187-93；Appl.?Catal.?B:?Environ.?2008,?80,?327-334）和專利（專利號CN102225795A）大量報道了用于電催化的電極材料，其中比較典型的是鉑、鈀、銀、石墨以及基于這些活性組分的復合材料，但是貴金屬的稀有性和價格昂貴限制了其應用，石墨對于上述的這幾類難降解污染物的效率不夠高、穩定性差、重復利用率低。因此，開發一種快速、高效和穩定地電催化材料是非常重要的。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種快速、高效和穩定的電催化材料用于電還原水處理、傳感器、能量儲存和轉化、化合物的合成轉化。

電催化是一種簡單、高效的降解、檢測和合成轉化方法，而缺乏性能優良的電極材料是其主要的限制因素。氮摻雜金剛石電極具有低析氫電位、強電催化能力和高化學穩定性，能彌補現有電極的不足，是一種理想的電催化電極材料。工作電極的活性與材料的表面形貌密切相關，納米金剛石陣列具有比表面積大、有利于電子傳遞等優點，這有助于提高電極的電催化效率。

一種制備氮摻雜納米金剛石的方法，包括如下步驟：

（1）基底處理：將金屬基底或Si基底或Si陣列基底（采用光刻和等離子體刻蝕相結合的方法制備）超聲清洗后，在金剛石粉中拋光5-60?min。Si基底或Si陣列基底在超聲清洗前用質量百分數為1~10%的氫氟酸（HF）浸泡1~20?min。

（2）氣相沉積：將處理好的基底放置于等離子體化學氣相沉積系統的真空反應腔內，抽真空后通入H₂，以5~20℃/min的速率升溫至450~550?℃，通入體積百分數0.6~2.0%的N₂和體積百分數0.8~3%的CH₄，控制壓力5-7?KPa，沉積時間4~15?h；

（3）刻蝕取樣：關閉N₂和CH₄后，用氫等離子體刻蝕10~40?min，然后以5~20℃/min的速率降至室溫，關閉H₂后取出氮摻雜納米金剛石。

按上述方法制備的氮摻雜納米金剛石可用于電催化，工作電極采用氮摻雜納米金剛石，施加恒定的電位或電流，可應用于電還原水處理、傳感器、能量儲存和轉化、化合物的合成轉化等電催化領域。

本發明具有如下特點：

1、氮摻雜納米金剛石的電催化活性高，速度快，能量效率高。?

2、氮摻雜納米金剛石的組成元素在地殼中含量豐富，而且電極非常穩定，能夠重復使用很多次，易于實現大規模應用。

3、該方法操作簡便，常溫常壓下在-0.8V~-1.5V就能進行，能耗小。

4、氮摻雜納米金剛石能制備成陣列，從增大比表面積和利于電子傳遞等兩方面進一步提高電催化活性。

附圖說明

圖1(a)是本發明的氮摻雜納米金剛石棒陣列低倍數掃描電鏡圖片。

圖1(b)是本發明的氮摻雜納米金剛石棒陣列高倍數掃描電鏡圖片。

圖2是本發明的氮摻雜納米金剛石棒陣列對濃度為20?mg/L的2,2’,4,4’-四溴聯苯醚的降解曲線，施加的工作電壓為-1.5?V（vs.Ag/AgCl）。

圖3是本發明的氮摻雜的納米金剛石在1.0?mol/L甲醇+0.1?mol/L氫氧化鉀中的伏安曲線。

圖4是本發明的氮摻雜納米金剛石將100?mg/L的硝基苯轉化為苯胺的轉化率曲線，施加的工作電壓為-0.8?V（vs.Ag/AgCl）。

具體實施方式