[发明专利]一种制备氮掺杂纳米金刚石的方法及其电催化应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学技术领域，涉及一种制备氮掺杂纳米金刚石的方法及其电催化应用。

背景技术

环境污染和能源短缺是当今社会面临的两大主要问题。工业废水和生活污水的排放造成水体污染，严重危害人类健康，尤其是芳香卤化物、偶氮染料和硝基苯类化合物等难降解、易生物累积、致癌、致畸和致突变的有毒污染物。因此开发一种高效、快速的水处理、环境分析与检测方法对于减缓污染、尽快发现异常、确保人类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温室效应，急需寻找新的能源转化和能源存储方法。而电催化在水处理、传感器、能量储存和转化、化合物的合成转化等领域具有重要作用。它是一种很有前景的技术，不需要消耗化学品，能量效率高，环境友好，易于操作。目前这项技术的关键是寻找一种电催化活性高、电流效率高、稳定和导电性好的电催化材料。

已有一些文献（Chemosphere 2004, 56, 187-93；Appl. Catal. B: Environ. 2008, 80, 327-334）和专利（专利号CN102225795A）大量报道了用于电催化的电极材料，其中比较典型的是铂、钯、银、石墨以及基于这些活性组分的复合材料，但是贵金属的稀有性和价格昂贵限制了其应用，石墨对于上述的这几类难降解污染物的效率不够高、稳定性差、重复利用率低。因此，开发一种快速、高效和稳定地电催化材料是非常重要的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种快速、高效和稳定的电催化材料用于电还原水处理、传感器、能量储存和转化、化合物的合成转化。

电催化是一种简单、高效的降解、检测和合成转化方法，而缺乏性能优良的电极材料是其主要的限制因素。氮掺杂金刚石电极具有低析氢电位、强电催化能力和高化学稳定性，能弥补现有电极的不足，是一种理想的电催化电极材料。工作电极的活性与材料的表面形貌密切相关，纳米金刚石阵列具有比表面积大、有利于电子传递等优点，这有助于提高电极的电催化效率。

一种制备氮掺杂纳米金刚石的方法，包括如下步骤：

（1）基底处理：将金属基底或Si基底或Si阵列基底（采用光刻和等离子体刻蚀相结合的方法制备）超声清洗后，在金刚石粉中抛光5-60 min。Si基底或Si阵列基底在超声清洗前用质量百分数为1~10%的氢氟酸（HF）浸泡1~20 min。

（2）气相沉积：将处理好的基底放置于等离子体化学气相沉积系统的真空反应腔内，抽真空后通入H₂，以5~20℃/min的速率升温至450~550 ℃，通入体积百分数0.6~2.0%的N₂和体积百分数0.8~3%的CH₄，控制压力5-7 KPa，沉积时间4~15 h；

（3）刻蚀取样：关闭N₂和CH₄后，用氢等离子体刻蚀10~40 min，然后以5~20℃/min的速率降至室温，关闭H₂后取出氮掺杂纳米金刚石。

按上述方法制备的氮掺杂纳米金刚石可用于电催化，工作电极采用氮掺杂纳米金刚石，施加恒定的电位或电流，可应用于电还原水处理、传感器、能量储存和转化、化合物的合成转化等电催化领域。

本发明具有如下特点：

1、氮掺杂纳米金刚石的电催化活性高，速度快，能量效率高。 

2、氮掺杂纳米金刚石的组成元素在地壳中含量丰富，而且电极非常稳定，能够重复使用很多次，易于实现大规模应用。

3、该方法操作简便，常温常压下在-0.8V~-1.5V就能进行，能耗小。

4、氮掺杂纳米金刚石能制备成阵列，从增大比表面积和利于电子传递等两方面进一步提高电催化活性。

附图说明

图1(a)是本发明的氮掺杂纳米金刚石棒阵列低倍数扫描电镜图片。

图1(b)是本发明的氮掺杂纳米金刚石棒阵列高倍数扫描电镜图片。

图2是本发明的氮掺杂纳米金刚石棒阵列对浓度为20 mg/L的2,2’,4,4’-四溴联苯醚的降解曲线，施加的工作电压为-1.5 V（vs.Ag/AgCl）。

图3是本发明的氮掺杂的纳米金刚石在1.0 mol/L甲醇+0.1 mol/L氢氧化钾中的伏安曲线。

图4是本发明的氮掺杂纳米金刚石将100 mg/L的硝基苯转化为苯胺的转化率曲线，施加的工作电压为-0.8 V（vs.Ag/AgCl）。

具体实施方式