[發(fā)明專利]一種電化學(xué)碳摻雜可變價(jià)態(tài)過渡金屬氧化物的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110266425.7
• 申請(qǐng)日: 2021-03-11
• 公開（公告）號(hào): CN113104882B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李志美;楊克芳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南昌大學(xué)
• 主分類號(hào): C01G3/02
• 分類號(hào): C01G3/02;C01B32/05
• 代理公司: 北京眾合誠成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 袁紅梅

本發(fā)明公開了一種新型碳摻雜的工藝。將需要摻雜碳材料的金屬及其氧化物作為工作電極，以石墨碳棒為輔助電極，在一定的電位范圍內(nèi)(要求高低位不大于1.50V，低電位不低于?0.20V)進(jìn)行電化學(xué)分解水，輔助電極石墨碳受表面氣體不斷沖刷，碳粉逐漸脫落到溶液中；同時(shí)工作電極在電位不斷變化過程中，低價(jià)和高價(jià)物質(zhì)不斷轉(zhuǎn)化，碳逐漸滲透到所需摻雜的材料內(nèi)部，從而形成碳摻雜材料。本發(fā)明以碳摻雜銅氧化物(CW@C/Cu_xO_yNPs)為例，以場發(fā)射掃描電鏡(FE?SEM)對(duì)材料形貌進(jìn)行表征，利用能譜(EDS)和拉曼(Raman)技術(shù)對(duì)材料成分進(jìn)行表征，利用電化學(xué)技術(shù)對(duì)材料性能進(jìn)行表征，結(jié)果表明該法已經(jīng)成功制備碳摻雜銅氧化物納米材料，材料催化性能良好。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于化學(xué)化工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電化學(xué)碳摻雜可變價(jià)態(tài)過渡金屬氧化物的方法。

背景技術(shù)

由于碳元素特殊的成鍵性質(zhì)使碳材料廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。對(duì)碳摻雜改性是現(xiàn)在比較熱門的研究課題，目前已有多種碳摻雜材料用于化學(xué)化工、催化、電池等多個(gè)領(lǐng)域，將碳材料摻雜金屬材料中，可以極大地改變材料性能，如改變其表面結(jié)構(gòu)、改善其電子傳輸速率、調(diào)變其孔道結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)其親水性、增大其比表面積等，從而擴(kuò)大其在各領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

目前碳元素?fù)诫s大多數(shù)通過水熱法、高溫煅燒法進(jìn)行(ACSAppl.Mater.Interfaces2018.10,28,23807–23812、J.Mater.Chem.A,2018.6,19176-19181、International Journal of Hydrogen Energy,2019.44,31230-31238.)。文獻(xiàn)(International Journal of Hydrogen Energy,2019.44,31230-31238.)報(bào)道了利用苯-1,4-二羧酸、CuCl₂、NaBH₄、二甲基甲酰胺和甲醇等多種材料，通過高溫煅燒法制備了碳摻雜銅氧化物(CuO@C)催化材料。上述方法中制備過程需要多種無機(jī)酸(亞硝酸、發(fā)煙硫酸)以及有機(jī)物(如甲醇、二甲基咪唑和乙醇等)，操作過程繁瑣且易于造成環(huán)境污染。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足與難題，本發(fā)明旨在公開一種新型碳摻雜方法，使碳摻雜工序變得更簡單、可控。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種電化學(xué)碳摻雜可變價(jià)態(tài)過渡金屬氧化物的方法，該方法利用電化學(xué)循環(huán)伏安法，以輔助電極碳棒為碳源將碳材料摻雜到可變價(jià)態(tài)的過渡金屬氧化物中。

具體做法是：首先將需要摻雜的可變價(jià)態(tài)的過渡金屬氧化物材料直接生長在導(dǎo)電金屬表面，并以此為工作電極，利用石墨材料為輔助電極，以銀-氯化銀為參比電極，利用循環(huán)伏安法，使工作電極表面的金屬氧化物在一定的電位范圍內(nèi)發(fā)生氧化和還原反應(yīng)。工作電極發(fā)生還原反應(yīng)的同時(shí)，輔助電極表面發(fā)生氧化反應(yīng)，分解水產(chǎn)生氧氣；工作電極發(fā)生氧化反應(yīng)的同時(shí)，輔助電極表面發(fā)生還原反應(yīng)，分解水產(chǎn)生氫氣。由于輔助碳電極受氣體沖刷，碳慢慢擴(kuò)散到溶液中，浸泡在溶液中的工作電極發(fā)生氧化和還原過程中，溶液中的碳慢慢滲透到工作電極表面的活性氧化物物質(zhì)結(jié)構(gòu)中，從而獲得碳摻雜的材料。

進(jìn)一步地優(yōu)選，所述的可變價(jià)態(tài)的過渡金屬氧化物為氧化銅/氧化亞銅、四氧化三鈷/氧化物鈷或四氧化三錳/二氧化錳等。

進(jìn)一步地優(yōu)選，所述循環(huán)伏安法的高電位不大于1.50V，低電位不低于-0.20V。該電位范圍內(nèi)工作電極表面無氣體產(chǎn)生，輔助電極表面有較多的氣體產(chǎn)生。

進(jìn)一步地優(yōu)選，所述輔助電極為導(dǎo)電石墨碳棒，與工作電極置于同一電解池中。

本發(fā)明碳摻雜材料的制備方法至少具有下列優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明的制備方法利用電化學(xué)循環(huán)伏安法將電極表面的物質(zhì)在發(fā)生氧化和還原過程中摻雜碳材料，不需要加熱，效率高，反應(yīng)可控性強(qiáng)。