[发明专利]一种电化学碳掺杂可变价态过渡金属氧化物的方法

说明书

本发明公开了一种新型碳掺杂的工艺。将需要掺杂碳材料的金属及其氧化物作为工作电极，以石墨碳棒为辅助电极，在一定的电位范围内(要求高低位不大于1.50V，低电位不低于‑0.20V)进行电化学分解水，辅助电极石墨碳受表面气体不断冲刷，碳粉逐渐脱落到溶液中；同时工作电极在电位不断变化过程中，低价和高价物质不断转化，碳逐渐渗透到所需掺杂的材料内部，从而形成碳掺杂材料。本发明以碳掺杂铜氧化物(CW@C/Cu_xO_yNPs)为例，以场发射扫描电镜(FE‑SEM)对材料形貌进行表征，利用能谱(EDS)和拉曼(Raman)技术对材料成分进行表征，利用电化学技术对材料性能进行表征，结果表明该法已经成功制备碳掺杂铜氧化物纳米材料，材料催化性能良好。

技术领域

本发明属于化学化工技术领域，具体涉及一种电化学碳掺杂可变价态过渡金属氧化物的方法。

背景技术

由于碳元素特殊的成键性质使碳材料广泛应用于各个领域。对碳掺杂改性是现在比较热门的研究课题，目前已有多种碳掺杂材料用于化学化工、催化、电池等多个领域，将碳材料掺杂金属材料中，可以极大地改变材料性能，如改变其表面结构、改善其电子传输速率、调变其孔道结构、增强其亲水性、增大其比表面积等，从而扩大其在各领域的应用范围。

目前碳元素掺杂大多数通过水热法、高温煅烧法进行(ACSAppl.Mater.Interfaces2018.10,28,23807–23812、J.Mater.Chem.A,2018.6,19176-19181、International Journal of Hydrogen Energy,2019.44,31230-31238.)。文献(International Journal of Hydrogen Energy,2019.44,31230-31238.)报道了利用苯-1,4-二羧酸、CuCl₂、NaBH₄、二甲基甲酰胺和甲醇等多种材料，通过高温煅烧法制备了碳掺杂铜氧化物(CuO@C)催化材料。上述方法中制备过程需要多种无机酸(亚硝酸、发烟硫酸)以及有机物(如甲醇、二甲基咪唑和乙醇等)，操作过程繁琐且易于造成环境污染。

发明内容

针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在公开一种新型碳掺杂方法，使碳掺杂工序变得更简单、可控。

本发明采用的技术方案为：

一种电化学碳掺杂可变价态过渡金属氧化物的方法，该方法利用电化学循环伏安法，以辅助电极碳棒为碳源将碳材料掺杂到可变价态的过渡金属氧化物中。

具体做法是：首先将需要掺杂的可变价态的过渡金属氧化物材料直接生长在导电金属表面，并以此为工作电极，利用石墨材料为辅助电极，以银-氯化银为参比电极，利用循环伏安法，使工作电极表面的金属氧化物在一定的电位范围内发生氧化和还原反应。工作电极发生还原反应的同时，辅助电极表面发生氧化反应，分解水产生氧气；工作电极发生氧化反应的同时，辅助电极表面发生还原反应，分解水产生氢气。由于辅助碳电极受气体冲刷，碳慢慢扩散到溶液中，浸泡在溶液中的工作电极发生氧化和还原过程中，溶液中的碳慢慢渗透到工作电极表面的活性氧化物物质结构中，从而获得碳掺杂的材料。

进一步地优选，所述的可变价态的过渡金属氧化物为氧化铜/氧化亚铜、四氧化三钴/氧化物钴或四氧化三锰/二氧化锰等。

进一步地优选，所述循环伏安法的高电位不大于1.50V，低电位不低于-0.20V。该电位范围内工作电极表面无气体产生，辅助电极表面有较多的气体产生。

进一步地优选，所述辅助电极为导电石墨碳棒，与工作电极置于同一电解池中。

本发明碳掺杂材料的制备方法至少具有下列优点：

1、本发明的制备方法利用电化学循环伏安法将电极表面的物质在发生氧化和还原过程中掺杂碳材料，不需要加热，效率高，反应可控性强。