一种季铵盐阳离子和CuSe电极协同促进电催化合成砷烷的方法

本发明属于砷烷合成，具体涉及一种季铵盐阳离子和cuse电极协同促进电催化合成砷烷的方法。

背景技术：

1、砷烷作为一种重要的砷源，在半导体制造中发挥着关键作用。iii-v族化合物半导体（如砷化镓gaas和磷化铟inp等）因其高电子迁移率、直接带隙结构及优异的光电性能，广泛应用于高速电子器件和光电子器件（如激光器、led）等领域。砷烷的主要功能是通过气相外延和分子束外延等工艺，精确控制半导体材料中的砷含量，从而优化其电子迁移率和载流子浓度，使材料性能适应不同电子器件的需求。因此，砷烷在iii-v族化合物半导体制造中得到广泛应用，成为调控材料电学和光学特性的关键因素。

2、当前常见的砷烷制备方法通常通过金属砷与酸或碱反应生成，如砷与盐酸或砷化物与酸反应。但这些方法易引入杂质，且要求苛刻的反应条件和高耐腐蚀设备。相比之下，电化学合成技术通过电子转移驱动反应，无需昂贵或有毒试剂，减少了原料浪费和能耗，具有更高的原子经济性和环保性，极大减少了化学废物和有害副产物的产生。因此，电化学合成砷烷在可持续发展中展现出广阔的应用前景。然而，由于电催化阴极加氢合成砷烷的过程是在涉水环境下进行的，析氢反应不可避免地成为强竞争性反应，这显著降低了砷烷的产率和法拉第效率，如何抑制析氢反应以提高电化学合成砷烷浓度是当前需要解决的重要问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种季铵盐阳离子和cuse电极协同促进电催化合成砷烷的方法，在常温和常压条件下，通过适量季铵盐阳离子的辅助作用调控界面微环境抑制竞争性析氢反应，实现了砷烷的高效合成；以简易制备的非贵金属cuse电极为催化工作阴极，反应绿色温和，不依赖于高温高压及外部试剂，电催化剂耐久性高，为砷烷的合成提供了一种环保、可靠且高效的途径。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、一种季铵盐阳离子和cuse电极协同促进电催化合成砷烷的方法，包含以下内容：以富含se空位的cuse电极作为工作阴极，并设置阳极对电极，以恒电流仪作为电化学发生装置，阴极室和阳极室之间用阴离子交换膜隔开，阴极室和阳极室中均加入有电解液，阴极室电解液中含有砷酸和季铵盐阳离子，在恒电流下进行电化学反应合成砷烷。

4、所述富含se空位的cuse电极的制备方法包括以下步骤：

5、1）以片状结构的铜基材料为阴极工作电极基底，将其浸入浓盐酸中超声处理，随后以丙酮超声去除表面有机杂物并干燥；

6、进一步地，基底铜基材料为泡沫铜、铜箔、铜网中的一种，在本发明的具体实施例方案中，所用基底铜基材料为泡沫铜。

7、进一步地，浓盐酸的浓度为6-12 m，浓盐酸中超声处理时间是5-10min。

8、2）将步骤1）的样品置于管式炉中，并在其上游添加se粉，于通入ar的气体氛围下煅烧；

9、进一步地，管式炉煅烧温度为300-600℃，

10、更进一步地，管式炉煅烧温度为400±20℃，煅烧时间是2-5h；

11、进一步地，以步骤1）中电极基底的尺寸面积为400 cm2计，步骤2）中se粉的质量为500-700mg，优选为600±20mg。

12、3）将步骤2）的样品浸入h2o2溶液中刻蚀空位，刻蚀结束后洗涤干燥得到富含se空位cuse电极；

13、进一步地，h2o2溶液的浓度为0.1-1 m，

14、更进一步地， h2o2溶液的浓度0.5 m；

15、进一步地，刻蚀时间为3-10 min，

16、更进一步地，刻蚀时间为5 min。

17、进一步地，以恒电流仪作为电化学发生装置，采用带有阴阳两极储液池的双室标准流动电解池为电催化反应装置，阴极室和阳极室之间用阴离子交换膜（fab-pk-130）隔开；将所述富含se空位的cuse电极作为阴极工作电极，ti网为对电极阳极，阴极储液池内加入的电解液是0.1-5 m砷酸水溶液，并添加终浓度0.1-1 mm的季铵盐阳离子，阳极储液池内加入的电解液是0.5-2 m硫酸钠溶液，阴极储液池和阳极储液池内均加入磁子搅拌，搅拌均匀，分别通过柱塞泵将电解液输送至阴极室和阳极室，在恒电流下进行电化学反应合成砷烷。

18、进一步地，季铵盐阳离子为十六烷基三甲基溴化铵ctab、十二烷基三甲基溴化铵dtab、正辛基三甲基溴化铵otab和丁基三甲基溴化铵btab中的一种。

19、更进一步地，季铵盐阳离子为十六烷基三甲基溴化铵ctab，其在阴极室电解液中添加的终浓度为0.6-0.8 mm。

20、进一步地，恒电流的电流密度为10-100 ma/cm2，优选为25-30ma/cm2。

21、与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：

22、1）本发明在常温和常压条件下以砷酸为砷源，通过适量季铵盐阳离子的辅助作用调控界面微环境，极大程度上抑制了竞争性析氢反应，实现了砷烷的高效合成，砷烷浓度达49.5%。

23、2）本发明以简易制备的富含se空位非贵金属cuse电极为催化工作阴极，反应绿色温和，不依赖于高温高压及外部试剂，具有更高的原子经济性和环保性。

24、3）本发明工作电极的电催化剂耐久性高，制备简易，在可持续发展中展现出广阔的应用前景。

1.一种季铵盐阳离子和cuse电极协同促进电催化合成砷烷的方法，其特征在于，以富含se空位的cuse电极作为工作阴极，并设置阳极对电极，以恒电流仪作为电化学发生装置，阴极室和阳极室之间用阴离子交换膜隔开，阴极室和阳极室中均加入有电解液，阴极室电解液中含有砷酸和季铵盐阳离子，在恒电流下进行电化学反应合成砷烷。

2.如权利要求1所述的一种季铵盐阳离子和cuse电极协同促进电催化合成砷烷的方法，其特征在于，所述富含se空位的cuse电极的制备方法包括以下步骤：

3.如权利要求2所述的一种季铵盐阳离子和cuse电极协同促进电催化合成砷烷的方法，其特征在于，步骤1）中基底铜基材料为泡沫铜、铜箔、铜网中的一种。

4.如权利要求2所述的一种季铵盐阳离子和cuse电极协同促进电催化合成砷烷的方法，其特征在于，步骤1）中浓盐酸的浓度为6-12 m，浓盐酸中超声处理时间是5-10min。

5.如权利要求2所述的一种季铵盐阳离子和cuse电极协同促进电催化合成砷烷的方法，其特征在于，以步骤1）中电极基底的尺寸面积为400 cm2计，步骤2）中se粉的质量为500-700mg，优选为600±20mg；步骤2）中管式炉煅烧温度为300-600℃，优选为400±20℃，煅烧时间是2-5h。

6.如权利要求2所述的一种季铵盐阳离子和cuse电极协同促进电催化合成砷烷的方法，其特征在于，步骤3）中h2o2溶液的浓度为0.1-1 m，优选0.5 m；刻蚀时间为3-10 min，优选为5 min。

7.如权利要求1所述的一种季铵盐阳离子和cuse电极协同促进电催化合成砷烷的方法，其特征在于，阴极室电解液为0.1-5 m砷酸水溶液，其中还添加终浓度0.1-1 mm的季铵盐阳离子，阳极室电解液为0.5-1 m硫酸钠水溶液。

8.如权利要求1所述的一种季铵盐阳离子和cuse电极协同促进电催化合成砷烷的方法，其特征在于，季铵盐阳离子为十六烷基三甲基溴化铵ctab、十二烷基三甲基溴化铵dtab、正辛基三甲基溴化铵otab和丁基三甲基溴化铵btab中的一种，优选为十六烷基三甲基溴化铵ctab，其在阴极室电解液中添加的终浓度为0.6-0.8 mm。

9.如权利要求1所述的一种季铵盐阳离子和cuse电极协同促进电催化合成砷烷的方法，其特征在于，所述恒电流的电流密度为10-100 ma/cm2，优选为25-30ma/cm2。

10.如权利要求1所述的一种季铵盐阳离子和cuse电极协同促进电催化合成砷烷的方法，其特征在于，所述阳极对电极为ti网。