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        一种高比表面积硼掺杂金刚石电极及其制备方法和应用

        关键词 金刚石电极|2017-03-08 09:18:49|行业专利|来源 中国超硬材料网
        摘要   申请号:201610919507.6  申请人:中南大学  发明人:魏秋平周科朝马莉张龙余志明  摘要:一种高比表面积硼掺杂金刚石(BDD)电极,包括电极衬底,所述电极衬底表面...
          申请号:201610919507.6
          申请人:中南大学
          发明人:魏秋平 周科朝 马莉 张龙 余志明

          摘要: 一种高比表面积硼掺杂金刚石(BDD)电极,包括电极衬底,所述电极衬底表面设置一层硼掺杂金刚石层,或在衬底表面设置一层过渡层后,再在过渡层表面设置一层硼掺杂金刚石层,在金刚石层中分布有金属颗粒,在金刚石层表面分布有微孔和/或尖锥。相对于传统的平板电极,本发明的硼掺杂金刚石电极含有大量微孔和尖锥,具有极高的比表面积,用较低的电流密度提供较大的电流强度;同时,配合衬底的不同的电极构型及表面石墨烯和/或碳纳米管(CNT)的修饰,能够极大地改善传质过程,较大地提高电流效率和电化学性能,制备出电催化活性高、使用效率高的BDD电极。本电极可广泛应用于电化学污水净化处理、电化学生物传感器、强氧化剂电化学合成、电化学检测等领域。

          主权利要求:1.一种高比表面积硼掺杂金刚石电极,包括电极衬底,所述电极衬底表面设置一层硼掺杂金刚石层,或在衬底表面设置一层过渡层后,再在过渡层表面设置一层硼掺杂金刚石层,在金刚石层中分布有金属颗粒,在金刚石层表面分布有微孔和/或尖锥。
          2.根据权利要求1所述的一种高比表面积硼掺杂金刚石电极,其特征在于:电极衬底材料选自金属镍、铌、铜、钛、钴、钨、钼、铬、铁中的一种或其合金中的一种;或电极衬底材料选自陶瓷A12O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN、B4C、AlN、WC、Cr7C3中的一种。
          3.根据权利要求1所述的一种高比表面积硼掺杂金刚石电极,其特征在于:所述电极结构为平面型、柱面型、平面螺旋型、柱面螺旋型、平面编织网络型、三维编织网络型、蜂窝多孔型、泡沫多孔型中的一种。
          4.根据权利要求1所述的一种高比表面积硼掺杂金刚石电极,其特征在于:所述过渡层材料选自钛、钨、钼、铬、钽、铂、银、铝、铜、硅中的一种或多种的复合。过渡层采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在泡沫骨架表面制备。
          5.根据权利要求1所述的一种高比表面积硼掺杂金刚石电极,其特征在于:在分布有微孔和/或尖锥的金刚石层表面沉积有石墨烯或/和碳纳米管层。
          6.根据权利要求1所述的一种高比表面积硼掺杂金刚石电极,其特征在于:所述掺硼金刚石层通过化学气相沉积方法均匀沉积在衬底表面,金刚石层厚度范围为1μm~2mm。
          7.根据权利要求1所述的一种高比表面积硼掺杂金刚石电极,其特征在于:分布在金刚石层中的金属颗粒材料选自金属铁、钴、镍、钌、铂、钴、金、钨、银、铜、银、钯、铱中的一种或复合。
          8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种高比表面积硼掺杂金刚石电极,其特征在于:金刚石层表面的微孔尺寸范围为500nm-5mm,尖锥直径范围为1μm-30μm。
          9.如权利要求8所述的一种高比表面积硼掺杂金刚石电极的制备方法,包括下述步骤:第一步,沉积硼掺杂金刚石层将电极基体置于由纳米晶和/或微米晶金刚石混合颗粒构成的悬浊液中,或在电极基体表面制备中间过渡层后,置于由纳米晶和/或微米晶金刚石混合颗粒构成的悬浊液中,采用超声波震荡,使纳米晶和/或微米晶金刚石颗粒分散均匀并镶嵌在电极基体表面后,取出电极基体,烘干,然后,在化学气相沉积炉中,沉积硼掺杂金刚石层;沉积工艺参数为:含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5-10.0%;生长温度为600-1000℃,生长气压103-104Pa;硼源采用固体、液体、气体硼源中的一种;第二步,硼掺杂金刚石层表面微孔和尖锥的制备采用磁控溅射法或化学镀法在第一步得到的电极基体的金刚石表面沉积对碳具有较高催化能力的第一金属层,对已沉积第一金属层的硼掺杂金刚石层进行第一次高温热处理,使第一金属层在高温下球化,在金刚石表面形成弥撒分布的金属纳米球或微米球;在高温下,金刚石中的碳原子不断固溶到金属纳米球或微米球中,通过添加氢气刻蚀金属纳米球或微米球中碳原子过饱和固溶时析出的固体碳,使金属纳米球或微米球不断向金刚石内部迁移,最终在金刚石表面形成大量的微孔和尖锥;所述金属层材料选自金属铁、钴、镍中的一种或复合;第一次高温热处理温度为600-1000℃,时间1min-3h,炉内气氛选自CH4,H2,N2,Ar气体的一种或混合,炉内压强为0.1-1个大气压。
          10.根据权利要求9所述的一种高比表面积硼掺杂金刚石电极的制备方法,其特征在于:在金刚石表面形成了大量的微孔和尖锥的电极基体表面制备高温下不形成碳化物和不固溶碳原子的第二金属层,然后,在?;て栈蛘婵罩型ü诙胃呶氯却硎沟诙鹗舨闱蚧赡擅捉鹗羟虿⑶度胛⒖字?;所述第二金属层的金属选自钌、铂、金、银、铜、钯、铱中的一种或复合;第二次高温热处理温度为600-1000℃,时间1min-3h,炉内气氛选自真空,N2,Ar气体的一种或混合,炉内压强为0Pa-1个大气压。
          11.根据权利要求10所述的一种高比表面积硼掺杂金刚石电极的制备方法,其特征在于:在分布有微孔和/或尖锥的金刚石层表面,采用化学气相沉积法沉积石墨烯或/和碳纳米管层;具体沉积工艺参数为:沉积石墨烯包覆硼掺杂金刚石复合层:沉积参数为:含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为5-80%;生长温度为400-1200℃,生长气压5-105Pa;等离子电流密度0-50mA/cm2;沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉;沉积碳纳米管包覆硼掺杂金刚石复合层:沉积参数为:含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为5-50%;生长温度为400-1300℃,生长气压103-105Pa;等离子电流密度0-30mA/cm2;沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉;沉积碳纳米管/石墨烯包覆掺硼掺杂金刚石复合层:先沉积碳纳米管,沉积参数为:含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为5-50%;生长温度为400-1300℃,生长气压103-105Pa;等离子电流密度0-30mA/cm2;沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉;然后沉积石墨烯,沉积参数为:含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为5-80%;生长温度为400-1200℃,生长气压5-105Pa;等离子电流密度0-50mA/cm2;沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉。
          12.根据权利要求11所述的一种高比表面积硼掺杂金刚石电极的制备方法,其特征在于:硼源为气体硼源时,含硼气体占炉内全部气体质量流量比为0.1-1%。
          13.一种高比表面积硼掺杂金刚石电极的应用,是将该电极用于电化学污水净化处理、电化学生物传感器、电化学合成、电化学检测领域。
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