[发明专利]光电催化的负载金属的硼掺杂金刚石及制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种光电催化的负载金属的硼掺杂金刚石，所述负载金属的硼掺杂金刚石包括基底，设置在所述基底任意一侧的硼掺杂金刚石层，所述硼掺杂金刚石层包括平整底层和垂直于所述平整底层的锥形结构层，以及均匀负载在所述锥形结构层的尖端的金属纳米颗粒催化剂。所述光电催化的负载金属的硼掺杂金刚石具有较高的催化活性、稳定性以及化学过程的选择性，大幅提高催化过程的选择性和效率。

技术领域

本发明涉及光电化学催化电极领域，尤其涉及光电催化的负载金属的硼掺杂金刚石及制备方法和应用。

背景技术

随着全球人口不断的增加，化石燃料的日益枯竭和全球环境问题越来越严重，能够替代传统化石燃料，减轻环境负担的同时实现能源的可持续利用的新型燃料的探索迫在眉睫。氨气主要用于化工工艺中化肥的生产，对于解决全球粮食问题有重要作用，同时它也是绿色的能源载体，是潜在的能源传输燃料。

氮还原产生氨气主要作用在于化工生产，合成氨对农作物的生长，对于解决全球粮食问题有着很大的意义。目前，工业生产中氮还原制氨气的主要方法是使用哈伯-博施特法，哈伯-博施特法需要的工艺条件较为苛刻，反应温度需要保持在300-500℃范围内，压强需要保持在150-300atm之间，氢气也是不可或缺的原料之一，同时反应需要的能量来源于化石燃料的燃烧，这又产生了大量的二氧化碳，增加了环境负担。采用光电化学催化反应或电化学催化反应进行还原氮气的反应，与传统的哈伯-博施特法相比，光电化学催化还原氮气产生氨气有以下优点：(1)还原技术条件温和；(2)不需要消耗大量的能源，减少了碳足迹；(3)设备简单，避免了在工厂中搭建复杂的反应设备

利用光电催化或电催化氮气还原成氨气反应是否能够高效的进行，很大程度上取决于催化电极的设计。传统电极材料由于对于氮气的吸附能力差、稳定性较低，导致反应速率慢、催化能力弱。同时，参与反应的中间体能量高，导致反应难以继续进行，进而使得还原产率低，限制了其使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光电催化的负载金属的硼掺杂金刚石及其制备方法和应用，旨在解决现有技术中用于光电催化反应的电极材料稳定性差、催化能力弱的问题。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种光电催化的负载金属的硼掺杂金刚石，所述负载金属的硼掺杂金刚石包括基底，设置在所述基底任意一侧的硼掺杂金刚石层，所述硼掺杂金刚石层包括平整底层和垂直于所述平整底层的锥形结构层，以及均匀负载在所述锥形结构层的尖端的金属纳米颗粒催化剂。

以及，一种光电催化的负载金属的硼掺杂金刚石的制备方法，包括如下步骤：

提供硼掺杂金刚石为载体，所述硼掺杂金刚石包括一基底，以及设置在所述基底任意一侧的硼掺杂金刚石层；

在所述基底任意一侧的硼掺杂金刚石层的表面进行刻蚀处理，得到处理后的硼掺杂金刚石层，所述处理后的硼掺杂金刚石层包括平整底层和垂直于所述平整底层的锥形结构层；

提供金属靶材，采用磁控溅射的方式在所述硼掺杂金刚石载体的表面进行金属溅射处理，得到所述光电催化的负载金属的硼掺杂金刚石。

以及，一种光电催化还原反应电极，所述还原反应电极的材料为上述的光电催化的负载金属的硼掺杂金刚石或由上述的方法制备得到的光电催化的负载金属的硼掺杂金刚石。

以及，包含上述的光电催化的负载金属的硼掺杂金刚石或由上述方法制备得到的光电催化的负载金属的硼掺杂金刚石的电极在光电催化还原反应的应用。