一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极及其制备方法与应用，所述的硼掺杂金刚石电极包括衬底、电极工作层；所述电极工作层包裹在衬底表面，所述衬底为高比表面积多晶硅或单晶硅；所述电极工作层为硼掺杂金刚石层；所述高比表面积多晶硅是对多晶硅表面进行各向异性刻蚀或/和各向同性刻蚀得到；所述高比表面积单晶硅是对单晶硅表面进行各向异性刻蚀得到。所述硼掺杂金刚石层包括不同含硼量的硼掺杂金刚石高导电层、硼掺杂金刚石耐腐蚀层、硼掺杂金刚石强电催化活性层，相对于传统的平板电极来说，本发明专利技术的硅基硼掺杂金刚石电极具有成本低、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，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极及其制备方法和应用
本专利技术公开了一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极及其制备方法和应用，属于表面刻蚀改性与气相沉积

技术介绍
硼掺杂金刚石薄膜电极(BDD)具有很高的机械强度，化学惰性和优异的电化学性能，如在水溶液中具有很宽的电位窗口、较高的析氧过电位和较低的背景电流，在相同的电流密度下能高效率地产生羟基自由基，从而使有机物能快速被去除，表面具有抗中毒抗污染能力，可以在强腐蚀介质中长期稳定的工作。即使在高电化学负荷，经过电流密度在2～10Acm2上千小时的电化学反应，也没有明显被侵蚀的迹象。金刚石薄膜具有硬度和强度方面的高优质性能，可以耐受超声空化效应对电极表面的强波冲击，在高强度环境中显示了较长的使用寿命。随着化学气相沉积CVD人工合成多晶金刚石薄膜涂层技术以及硼掺杂P型半导体研究的不断发展，使得CVD金刚石薄膜的电阻率降为0.01～100cm，是一种导电良好的电极材料。研究表明该电极在电氧化削减有机污染物方面和高灵敏度有机物的分析和探测方面将显示广阔的应用前景。然而，BDD电极降解有机废水技术仍未被市场广泛接受，其根本原因在于(一)现有BDD的衬底多为单晶硅，单晶硅难以大体积制造，随着单晶硅体积增大，制造成本急剧升高，使得现有BDD电极成本高，性价比低，难以完全满足市场对经济高效的要求；(二)现有的BDD平面电极面积小、表面粗糙度低，比表面积不高，使得电极具有活性面积小、强氧化性基团-羟基自由基的时空产率低、传质速率慢等缺点，制约了BDD电极的电催化性能；(三)相比单晶硅，金属Ti衬底与BDD电极的热膨胀匹配较差，易脱落，使得大面积电极制备困难。相比单晶硅，多晶硅衬底价格低廉，较易实现大面积工业化规模制造，但多晶硅衬底导电性较差，使得BDD电极电流效率低、降解能耗偏高。因此，多晶硅应用于BDD电极，存在诸多不足。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术之不足，提供一种工艺简单，成本低廉，适合大面积制备的超高比表面积硼掺杂金刚石电极及制备方法和应用。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，所述的硼掺杂金刚石电极包括衬底、电极工作层；所述电极工作层包裹在衬底表面，所述衬底为高比表面积多晶硅或单晶硅；所述电极工作层为硼掺杂金刚石层；所述高比表面积多晶硅是对多晶硅表面进行各向异性刻蚀或/和各向同性刻蚀得到；所述高比表面积单晶硅是对单晶硅表面进行各向异性刻蚀得到。在本专利技术中，通过对多晶硅衬底进行表面刻蚀，获得高比表面积的电极，大幅度提高电极表面粗糙度。其中，对多晶硅表面进行各向异性刻蚀后，多晶硅表面宏观形貌为阶梯状、沟壑状、点状、柱状中的一种；对单晶硅表面进行各向异性刻蚀后，单晶硅表面为阶梯状、沟壑状、点状中的一种。对多晶硅表面进行各向同性刻蚀后，多晶硅表面含有凹坑和/或微孔刻蚀痕；对多晶硅表面进行各向异性刻蚀和各向同性刻蚀后，在多晶硅表面形成由各向异性刻蚀构成的多晶硅表面宏观形貌上同时含有大量微孔的双级高比表面结构。本专利技术一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，优选的，所述衬底为高比表面积多晶硅。多晶硅相对于单晶硅来说具有巨大的成本优势，通过本专利技术刻蚀处理的多晶硅比表面积大幅提高。本专利技术一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，优选的，所述高比表面积多晶硅是对多晶硅表面进行各向同性刻蚀得到。专利技术人发现，对多晶硅表面进行各向同性刻蚀获得的高比表面积多晶硅作为衬底所制备的BDD电极电化学性能最佳，电极可逆性良好。本专利技术一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，优选的，所述高比表面积多晶硅是对多晶硅表面进行各向异性刻蚀和各向同性刻蚀得到。本专利技术一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，所述衬底形状包括圆柱状、圆筒状和平板状；所述衬底结构包括三维连续网络结构、二维连续网状结构和二维封闭平板结构；本专利技术一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，所述硼掺杂金刚石层包括不同含硼量的硼掺杂金刚石高导电层、硼掺杂金刚石耐腐蚀层、硼掺杂金刚石强电催化活性层，所述硼掺杂金刚石高导电层、硼掺杂金刚石耐腐蚀层、硼掺杂金刚石强电催化活性层依次沉积在衬底表面。优选为依次通过化学化学气相沉积方法均匀沉积在衬底表面。本专利技术一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，所述硼掺杂金刚石高导电层中，按原子比计，B/C为20000-33333ppm。在衬底表面首先沉积高硼含量的硼掺杂金刚石导电层，通过高的硼掺杂量，获得近似金属态的高导电特性。本专利技术一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，所述硼掺杂金刚石耐腐蚀层中，按原子比计，B/C为0-10000ppm。优选为3333-10000ppm。作为中间层的硼掺杂金刚石耐腐蚀层，通过少量硼的掺杂，保留金刚石的高纯度，而由于金刚石纯度高，金刚石晶粒致密均匀，缺陷少，电化学降解过程腐蚀性物质无法通过耐腐蚀层腐蚀硅衬底，可大幅提高BDD的耐腐蚀，增加寿命。本专利技术一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，所述硼掺杂金刚石强电催化活性层中，按原子比计，B/C为10000-20000ppm。在硼掺杂金刚石耐腐蚀层表面沉积的为作为顶层的硼掺杂金刚石强电催化活性层，增大硼的掺杂量，由于硼的掺杂量增大，使得硼掺杂金刚石强电催化活性层的缺陷增多，对羟基自由基的利用率增加等原因，因此硼掺杂金刚石强电催化活性层具有电势窗口宽、析氧电位高、背景电流低的性质，其析氧电位大于等于2.3V，电势窗口大于等于3.0V。本专利技术一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，所述硼掺杂金刚石层的厚度为5μm-2mm，所述硼掺杂金刚石强电催化活性层占硼掺杂金刚石层厚度的40-60％。本专利技术中，保证硼掺杂金刚石强电催化活性层的厚度，可以使得电极材料具有优异的电催化活化，提高降解废水的效率。本专利技术一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，所述硼掺杂金刚石层表面分布有微孔和/或尖锥。本专利技术一种高比表面积硼掺杂金刚石电极的制备方法，包括如下步骤：步骤一，衬底的预处理对多晶硅衬底材料表面进行各向异性刻蚀或/和各向同性刻蚀，得到高比表面积多晶硅；对单晶硅衬底材料表面进行各向同性刻蚀，得到高比表面积单晶硅。步骤二、衬底表面种植籽晶处理将步骤一所得高比表面积多晶硅或高比表面积单晶硅；置于含纳米晶和/或微米晶金刚石混合颗粒的悬浊液中；超声处理，烘干；获得表面吸附纳米晶和/或微米晶金刚石的高比表面积多晶硅或高比表面积单晶硅；步骤三，硼掺杂金刚石层的沉积将步骤二中所得高比表面积多晶硅或高比表面积单晶硅置于化学气相沉积炉中，通入含碳气体，含硼气体；依次进行三段沉积，获得硼掺杂金刚石层，控制第一段沉积过程中，含硼气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.03％-0.05％；控制第二段沉积过程中，含硼气体占炉内全部气体质量流量百分比为0％-0.015％；控制第三段沉积过程中，含硼气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.015％-0.03％；步骤四、高温处理将己沉积硼掺杂金刚石层的高比表面积多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，其特征在于：所述硼掺杂金刚石电极包括衬底、电极工作层；所述电极工作层包裹在衬底表面，所述衬底为高比表面积多晶硅或单晶硅；所述电极工作层为硼掺杂金刚石层；所述高比表面积多晶硅是对多晶硅表面进行各向异性刻蚀或/和各向同性刻蚀得到；所述高比表面积单晶硅是对单晶硅表面进行各向异性刻蚀得到。/n

【技术特征摘要】
1.一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，其特征在于：所述硼掺杂金刚石电极包括衬底、电极工作层；所述电极工作层包裹在衬底表面，所述衬底为高比表面积多晶硅或单晶硅；所述电极工作层为硼掺杂金刚石层；所述高比表面积多晶硅是对多晶硅表面进行各向异性刻蚀或/和各向同性刻蚀得到；所述高比表面积单晶硅是对单晶硅表面进行各向异性刻蚀得到。


2.根据权利要求1所述的一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，其特征在于：所述衬底为高比表面积多晶硅；所述高比表面积多晶硅是对多晶硅表面进行各向同性刻蚀得到；
所述衬底形状包括圆柱状、圆筒状和平板状；
所述衬底结构包括三维连续网络结构、二维连续网状结构和二维封闭平板结构。


3.根据权利要求1或2所述的一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，其特征在于：所述硼掺杂金刚石层包括不同含硼量的硼掺杂金刚石高导电层、硼掺杂金刚石耐腐蚀层、硼掺杂金刚石强电催化活性层，所述硼掺杂金刚石高导电层、硼掺杂金刚石耐腐蚀层、硼掺杂金刚石强电催化活性层依次沉积在衬底表面。


4.根据权利要求3所述的一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，其特征在于：所述硼掺杂金刚石高导电层中，按原子比计，B/C为20000-33333ppm；所述硼掺杂金刚石耐腐蚀层中，按原子比计，B/C为0-10000ppm；所述硼掺杂金刚石强电催化活性层中，按原子比计，B/C为10000-20000ppm。


5.根据权利要求3或4所述的一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，其特征在于：所述硼掺杂金刚石层的厚度为5μm-2mm，所述硼掺杂金刚石强电催化活性层占硼掺杂金刚石层厚度的40-60％；所述硼掺杂金刚石层表面分布有微孔和/或尖锥。


6.制备如权利要求1-5所述的一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，衬底的预处理
对多晶硅衬底材料表面进行各向异性刻蚀或/和各向同性刻蚀，得到高比表面积多晶硅；对单晶硅衬底材料表面进行各向同性刻蚀，得到高比表面积单晶硅；
步骤二、衬底表面种植籽晶处理
将步骤一所得高比表面积多晶硅或高比表面积单晶硅；置于含纳米晶和/或微米晶金刚石混合颗粒的悬浊液中；超声处理，烘干；获得表面吸附纳米晶和/或微米晶金刚石的高比表面积多晶硅或高比表面积单晶硅；
步骤三，硼掺杂金刚石层的沉积
将步骤二中所得高比表面积多晶硅或高比表面积单晶硅置于化学气相沉积炉中，通入含碳气体，含硼气体；依次进行三段沉积，获得硼掺杂金刚石层，控制第一段沉积过程中，含硼...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏秋平，马莉，周科朝，王立峰，王宝峰，施海平，
申请(专利权)人：南京岱蒙特科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32