新型掺氮金刚石薄膜结构及CO2电化学还原性能研究

摘要

掺氮金刚石薄膜不仅同已被广泛研究的掺硼金刚石(BDD)薄膜一样拥有优异的电化学性能,而且具有更加丰富的的结构和物相组成,是一种十分有潜力的CO2电化学还原电极材料.本文采用微波等离子体化学沉积技术通过改变沉积温度(750和850°C)制备获得两种形态结构及组成特点显著不同的新型掺氮金刚石薄膜,SEM、XRD分析表明750°C下生长的薄膜仅含金刚石相且晶粒尺寸在30 nm以下,晶界占比极大,结合Raman光谱图中宽化的D峰和G峰,表明所得膜材为典型的掺氮超纳米金刚石膜(UNCD);而850°C制备的薄膜由金刚石和石墨相组成,极薄的石墨片垂直交叉排列呈"蜂窝"状,尺寸极小金刚石晶粒分布于蜂孔内,为典型的掺氮超纳米金刚石/多层石墨烯复合薄膜(UNCD/MLG).电化学测试结果显示,两种新型掺氮金刚石薄膜均具有宽的电势窗(～3 V),可以有效地抑制CO2还原的析氢竞争反应;同时两种电极都可以有效电催化还原CO2,生成甲酸和CO,甲酸和CO最大法拉第效率分别为38.37％和15.32％.其中850°C生长的UNCD/MLG薄膜具有更好的电化学活性,更高的CO法拉第效率并可产生多电子转移产物甲烷.这得益于其本身"蜂巢"状结构不仅使表面积极大地增加,同时适中的sp3-C/sp2-C比例可以有效结合CO2还原的中间体,增加了产物的多样性.对于掺氮金刚石薄膜材料而言,这种由掺氮超纳米金刚石和多层石墨烯组成的具有丰富孔洞结构的复合膜是一种更有潜力的电催化CO2还原电极材料.