一种sp2/sp3碳杂化的二维纳米金刚石电催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种sp2/sp3碳杂化的二维纳米金刚石电催化剂及其制备方法和应用，制备方法为将二维纳米金刚石醇洗后过滤干燥，初步洗去材料中的杂质，之后将所得产物在酸液中处理，进一步去除难处理杂质，洗涤干燥，最后将所得产物至于管式炉内，在惰性气氛中进行高温煅烧，自然冷却至室温后，即可得到sp2/sp3碳杂化的二维纳米金刚石电催化剂，并通过控制煅烧温度，可以实现sp2/sp3杂化比例的精确控制。本发明专利技术通过结构调控，制备出具有电势窗口宽、背景电流低、高稳定性等特征的杂化二维纳米金刚石，极大地提高了电解水制备臭氧的电流效率，并且该电催化剂制备工艺简单、成本低廉。成本低廉。成本低廉。

【技术实现步骤摘要】
一种sp2/sp3碳杂化的二维纳米金刚石电催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及到纳米材料以及电催化
，具体涉及一种sp2/sp3碳杂化的二维纳米金刚石电催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]臭氧作为一种环境友好型强氧化剂，可以迅速而彻底地消除空气中、水中的病毒及细菌，因此在杀菌、除臭和脱色处理等方面有着广泛应用。在杀菌消毒方面，与传统的含氯消毒剂相比，臭氧在消毒过程中自身被还原为氧气，安全高效且无二次污染。生活中各种对人体有害的物质(例如：一氧化碳、农药、重金属、化肥、有机物、臭味、色素等)经臭氧处理后，都会分解成对人体无害的安全物质。美、日及欧美先进国家，已经大量将臭氧应用在各种食品的储存上，它可以延长食品的贮藏期及降低腐坏率，以降低损失、提高利润。因臭氧有很强的氧化作用，所以本身就是很强的漂白剂，可应用于洗衣、食品、废水处理。此外按照应用行业及场所不同，可以将臭氧的主要应用归纳为：医疗保健领域、食品加工行业、畜禽养殖业、水处理等。
[0003]目前，制备臭氧的方式主要有以下三种：介质阻挡放电法、紫外线辐射法、电解法等。工业上普遍使用的臭氧制备方法是介质阻挡放电法，也称为电晕放电法，是交流高气压低温非平衡气体放电过程，其生产设备庞大成本较高，且由于高压电离在该过程中存在着氮氧化物(NO
x
)的排放有毒有害。紫外线照射法实际上是效仿大气层中臭氧产生的方法，人工产生出波长为185nm的紫外线光谱照射空气中的氧气，但该过程的辐射危害为主要限制因素，且臭氧产量少、生产设备复杂、波长难控制。相比于前两种臭氧制备方法，电解法制备臭氧具有以下优点：(1)操作简便且可绿色高效产生高浓度臭氧；(2)以纯水为原料无需加工处理，绿色环保且无二次污染；(3)设备简易，便于携带且可用于各种情形。在电解法制备臭氧过程中，阳极产生臭氧和氧气，阴极产生氢气，选择高过电位的阳极材料可以有效抑制氧气产生，提高产生臭氧的电流效率。目前电解水制备臭氧主要是利用二氧化铅作为阳极催化剂，但众所周知铅是一种有毒物质，大规模的应用会导致大量有毒工业废渣的产生。因此设计无铅体系阳极催化剂替代含铅阳极催化剂对电解水制备臭氧具有重要意义。二维纳米金刚石作为一种新型碳材料，由于具有极好的化学稳定性、表面易修饰、比表面积大等优点在电催化领域受到了越来越多的关注，然而将二维纳米金刚石用于电解法产生臭氧的研究尚未有人报道。

技术实现思路

[0004]针对现有技术上存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种sp2/sp3碳杂化比例的二维纳米金刚石电催化剂及其制备方法和应用，本专利技术制备的催化剂成本低廉、制备工艺简单，并且用于电催化反应制备臭氧具有较高的反应效率，此外该杂化二维纳米金刚石电催化剂用于电催化反应过程的操作条件温和、可产生高浓度臭氧，绿色高效且无二次污
染。
[0005]一种sp2/sp3碳杂化的二维纳米金刚石电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0006]1)将二维纳米金刚石分散于乙醇溶液中，并超声处理20
‑
60min，之后将所得的黑色悬浊液用超纯水进行洗涤过滤；
[0007]2)将步骤1)中得到的初步洗涤的二维纳米金刚石分散于无机酸溶液中，在40
‑
80℃的油浴中进行热处理，之后将所得的产物用无水乙醇和去离子水各洗涤3
‑
5次，并在50
‑
80℃下真空干燥8
‑
18小时，得到纯净的二维纳米金刚石材料；
[0008]3)将通过步骤2)得到的纯净的二维纳米金刚石材料转移至瓷舟中，并置于管式炉中，在惰性气体下逐步升温，升温到一定温度后进行恒温高温煅烧，恒温煅烧时间为2
‑
8小时，待其自然冷却至室温后即可得到sp2/sp3碳杂化的二维纳米金刚石电催化剂。
[0009]进一步地，步骤1)中所述乙醇溶液的质量浓度为70％
‑
95％，超声时间为0.5
‑
1小时，二维纳米金刚石的质量与乙醇溶液的体积比为1：20
‑
30，质量单位为g，体积单位为mL。
[0010]进一步地，步骤2)中所述的无机酸为硫酸或硝酸，浓度为3
‑
5mol/L，热处理时间为6
‑
12小时。
[0011]进一步地，步骤3)中所述的惰性气体为氩气、氦气或氮气，所述的煅烧温度为600
‑
1400℃，逐步升温的升温速率为5
‑
10℃/min，惰性气体的气体流量为50
‑
100mL/min，煅烧时间为3
‑
6小时。
[0012]一种通过上述制备方法制备得到的sp2/sp3碳杂化的二维纳米金刚石电催化剂，sp2/sp3碳杂化的二维纳米金刚石电催化剂具有共平面的sp2碳和sp3碳。
[0013]一种sp2/sp3碳杂化的二维纳米金刚石电催化剂，通过不同温度煅烧可以控制sp2和sp3碳的杂化比例，从而进一步对二维纳米金刚石进行结构调控，sp2/sp3碳的杂化比例控制在0.5
‑
1.2。
[0014]一种上述sp2/sp3碳杂化的二维纳米金刚石电催化剂在电解水制备臭氧中的应用，包括以下步骤：由恒电流仪控制电压和电流，采用H型电解槽进行电解水制备臭氧反应，保持H型电解槽的阳极电解室和阴极电解室之间水、气流通，以饱和硫酸钾水溶液作为电解液，将所述的sp2/sp3碳杂化的二维纳米金刚石电催化剂涂布在碳布上作为阳极室内的工作电极，使用铂片作为阴极室内的对电极，反应电流控制在75mA/cm2，H型电解槽的槽电压控制在4
‑
10V之间，随后进行电解水制备臭氧反应从而得到臭氧产品。
[0015]相比于现有技术，本专利技术取得的有益效果是：
[0016]1)本专利技术通过结构优化，制备出新颖高效的杂化二维纳米金刚石材料，使其具有较高的电催化产臭氧活性，具有极大的应用价值，同时通过调节煅烧温度，可以实现sp2/sp3的杂化比例，得到具有不同电催化性能的电催化剂。
[0017]2)本专利技术制备的杂化二维纳米金刚石中的sp2‑
C与sp3‑
C处于同一平面，且sp2‑
C的比例明显升高，与未处理的二维纳米金刚石相比，杂化二维纳米金刚石利用不同碳电子的相互作用，明显提高了电解水制备臭氧的反应催化活性和稳定性，为该类材料在电催化领域提供了基础应用研究，具有广阔的应用前景。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术方案，下面将实施例或现有技术描述
中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0019]图1a为实施例1制备的sp2/sp3碳杂化的二维纳米金刚石电催化剂在50nm下的透射电子显微镜示意图；
[0020]图1b为实施例1制备的sp2/sp3碳杂化的二维纳米金刚石电催化剂在10nm下的透射电子显微镜示意图；
[0021]图2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种sp2/sp3碳杂化的二维纳米金刚石电催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)将二维纳米金刚石分散于乙醇溶液中，并超声处理20
‑
60min，之后将所得的黑色悬浊液用超纯水进行洗涤过滤；2)将步骤1)中得到的初步洗涤的二维纳米金刚石分散于无机酸溶液中，在40
‑
80℃的油浴中进行热处理，之后将所得的产物用无水乙醇和去离子水各洗涤3
‑
5次，并在50
‑
80℃下真空干燥8
‑
18小时，得到纯净的二维纳米金刚石材料；3)将通过步骤2)得到的纯净的二维纳米金刚石材料转移至瓷舟中，并置于管式炉中，在惰性气体下逐步升温，升温到一定温度后进行恒温高温煅烧，恒温煅烧时间为2
‑
8小时，待其自然冷却至室温后即可得到sp2/sp3碳杂化的二维纳米金刚石电催化剂。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤1)中所述乙醇溶液的质量浓度为70％
‑
95％，超声时间为0.5
‑
1小时，二维纳米金刚石的质量与乙醇溶液的体积比为1：20
‑
30，质量单位为g，体积单位为mL。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤2)中所述的无机酸为硫酸或硝酸，浓度为3
‑
5mol/L，热处理时间为6
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟兴，杨新影，王建国，李敏，赵伟，
申请(专利权)人：杭州热威洁净技术有限公司，
类型：发明
国别省市：