一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极及其制备方法和应用，所述梯度掺硼金刚石电极是以陶瓷衬底作为电极基体，于电极基体表面设置梯度硼掺杂金刚石层，再于金刚石层表面修饰DLC层；所述梯度硼掺杂金刚石层中硼含量从下至上逐步减少；所述DLC过渡层厚度范围为1μm～200μm；所述梯度硼掺杂金刚石层，由下至上，依次包括硼掺杂金刚石底层、硼掺杂金刚石过渡层、硼掺杂金刚石外层。本发明专利技术中在陶瓷衬底表面设置硼含量梯度减少的硼掺杂金刚石层，在与衬底接触的最底层硼含量最高，导电性最强，从而可以赋予陶瓷材料较高的导电性，拓宽陶瓷材料在BDD衬底材料领域的应用范围，同时设置的DLC层可以进一步提升电极材料的亲水性。

【技术实现步骤摘要】
一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极及其制备方法和应用，属于电极制备领域。
技术介绍
硼掺杂金刚石(BDD)材料凭借其所具备的宽电势窗口，良好的化学稳定性及表面弱吸附性等优势，相比于其他电化学氧化电极(如PbO2，形稳性电极(DSA)，IrO2等)对水体内有机污染物具有更高的矿化作用。现有BDD电极材料多以金属或硅片为基体，但是作为BDD电极的衬底材料，却存在一些致命的缺陷。金属基体具有强度高、韧性好、可塑性强的优点，但是作为电极的基体却存在耐腐蚀性差和热膨胀系数高的问题，BDD电极在电化学氧化工艺中用作阳极材料，在降解过程中耐腐蚀性差的金属极容易被腐蚀导致电机的失效。此外，化学气相沉积技术是制备BDD电极最常用和有效的工艺，BDD沉积时的温度可高达800℃，这就要求其衬底材料和BDD的热膨胀系数接近，若热膨胀系数不匹配的话可能会出现冷却后的BDD薄膜从电极基体脱落的现象，而BDD本身具有极低的热膨胀系数(约1ppm/K)，常见金属的热膨胀系数一般在7～18ppm/K。硅衬底虽然具有上佳的抗腐蚀性，能过耐得住阳极腐蚀，但是其电导率比起金属衬底来说却差了好几个数量级，作为AOPs工艺的阳极材料来说会浪费更多的电能，降低电极效率，且硅片还存在强度低很容易脆裂的特点。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的第一个目的在于提供一种兼具高耐腐蚀性、高导电性以及优异亲水性的含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极及其制备方法和应用。DLC是一系列含有sp3和sp2杂化的不稳定的非晶碳膜，这类薄膜具有高的硬度、低的摩擦因数、优异的的耐磨性等优越的力学和电学性能。DLC作为表面修饰材料具有以下几个优点：1、具有良好的表面复制性，DLC能最大程度的保留被修饰材料的表面形貌，本专利技术将共修饰于掺硼金刚石层的表面中可以保留BDD表面经高温刻蚀后留下的微孔，不会破坏其表面结构。2、DLC层的厚度可控。3、DLC薄膜可以进行多种掺杂，可以实现BDD电极的功能多样化。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极，所述梯度掺硼金刚石电极是以陶瓷材料作为电极基体，于电极基体表面设置梯度硼掺杂金刚石层，再于梯度硼掺杂金刚石层表面修饰DLC层；所述梯度硼掺杂金刚石层中硼含量从下至上逐步减少。陶瓷材料一直是公认的具有高耐腐蚀性的材料，且具有较高的强度和硬度。同时相较于金属材料，陶瓷材料具有更低的热膨胀系数和热稳定性，因此在其表面设置硼掺杂金刚石层，可以具有极佳的结合性能，然而陶瓷材料大多数导电性不足，本专利技术中在陶瓷衬底表面设置硼含量梯度减少的梯度硼掺杂金刚石层，在与衬底接触的最底层硼含量最高，导电性最强，从而可以赋予陶瓷材料较高的导电性，拓宽陶瓷材料在BDD衬底材料领域的应用范围；在金刚石表面设置了掺杂的(类金刚石薄膜)DLC，一方面可以进一步的提升电极表面的亲水性，另一方面还赋予BDD电极多元化的性能，不仅能保护电极，还可以提高电极的降解能力。本专利技术一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极，所述DLC层中含有掺杂元素，所述掺杂元素包含金属元素和/或非金属元素，所述金属元素选自Nb、Au、Cu、Ni、Ti、Zr、W、Cr、Al、Mo、Co、Pt中的至少一种；所述非金属元素选自B、N、Si、F、P中的至少一种。本专利技术一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极，所述DLC层的厚度为1μm～200μm。本专利技术一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极，所述梯度硼掺杂金刚石层，由下至上，依次包括硼掺杂金刚石底层、硼掺杂金刚石过渡层、硼掺杂金刚石外层，其中硼掺杂金刚石底层中，采用均一硼含量，按原子比计，B/C为46666～60000ppm，硼掺杂金刚石外层中，采用均一硼含量，按原子比计，B/C为26666～40000ppm，而所述硼掺杂金刚石过渡层中的硼含量由下至上线性递减，以硼掺杂金刚石底层的硼含量为最大值按线性递减至硼掺杂金刚石外层的硼含量。本专利技术中，提高导电性的底层，采用均一硼含量，以最大限度的保证陶瓷基底的导电性，而硼掺杂金刚石底层中，也采用均一硼含量，以最大限度的保证陶瓷含量的耐腐蚀性，而中间层，采用硼梯度线性递减的方式，这样可以使膜层之间的过渡自然，不容易发生膜层的分离和断裂，进一步提高结合力。本专利技术一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极，所述梯度硼掺杂金刚石层通过化学气相沉积方法均匀沉积在衬底表面，梯度硼掺杂金刚石层的厚度为1μm～2mm。即先于衬表表面沉积硼掺杂金刚石底层，然后沉积过渡层，最后沉积外层。本专利技术中，所述硼掺杂金刚石底层、硼掺杂金刚石过渡层、硼掺杂金刚石外层采用相近的厚度范围。本专利技术一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极，所述梯度硼掺杂金刚石层为多孔结构，其表面分布有微孔和/或尖锥，其中微孔直径为500nm～0.5mm，尖锥直径为1μm～30μm。本专利技术一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极，所述陶瓷衬底选自碳化物陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷、MAX相陶瓷、BaPO3陶瓷中的一种。作为优选，所述碳化物陶瓷选自SiC、B4C、Cr7C陶瓷中的一种，所述氧化物陶瓷选自A12O3、ZrO2中的一种；所述氮化物陶瓷选自Si3N4、BN、AlN、TiN中的一种，所述硼化物陶瓷选自TiB2、FeB中的一种；所述MAX相陶瓷选自Ti2GeC、Ti2AlC和Ti2AlN、Ti3SiC2、Ti3GeC2、Ti3AlC2、Ti4AlC3中的一种。作为优选，所述陶瓷衬底为MAX相陶瓷。MAX相三元陶瓷具有更为优异的导电性。本专利技术一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极，所述陶瓷衬底形状包括圆柱状、圆筒状和平板状；所述陶瓷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。本专利技术一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极，所述硼掺杂金刚石电极的结构为平面型、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。本专利技术一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极的制备方法，包括如下步骤：步骤一、电极基体表面种植籽晶处理将电极基体置于含纳米晶和/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/或微米晶金刚石的陶瓷衬底；步骤二、沉积梯度硼掺杂金刚石层将步骤一中所得陶瓷衬底置于化学沉积炉中，通入含碳气体，含硼气体，首先控制含硼气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.069％～0.0884％沉积12h以上，获得硼掺杂金刚石底层，然后再于10～15h内按线性递减的方式降低硼掺杂浓度；直至含硼气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.396本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极，其特征在于：所述梯度掺硼金刚石电极是以陶瓷材料作为电极基体，于电极基体表面设置梯度硼掺杂金刚石层，再于梯度硼掺杂金刚石层表面修饰DLC层；所述梯度硼掺杂金刚石层中硼含量从下至上逐步减少。/n

【技术特征摘要】
1.一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极，其特征在于：所述梯度掺硼金刚石电极是以陶瓷材料作为电极基体，于电极基体表面设置梯度硼掺杂金刚石层，再于梯度硼掺杂金刚石层表面修饰DLC层；所述梯度硼掺杂金刚石层中硼含量从下至上逐步减少。


2.根据权利要求1所述的一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极，其特征在于：所述DLC层中含有掺杂元素，所述掺杂元素包含金属元素和/或非金属元素，所述金属元素选自Nb、Au、Cu、Ni、Ti、Zr、W、Cr、Al、Mo、Co、Pt中的至少一种；所述非金属元素选自B、N、Si、F、P中的至少一种；所述DLC层的厚度为1μm～200μm。


3.根据权利要求1所述的一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极，其特征在于：所述梯度硼掺杂金刚石层，由下至上，依次包括硼掺杂金刚石底层、硼掺杂金刚石过渡层、硼掺杂金刚石外层，其中硼掺杂金刚石底层中，采用均一硼含量，按原子比计，B/C为46666～60000ppm，硼掺杂金刚石外层中，采用均一硼含量，按原子比计，B/C为26666～40000ppm，而所述硼掺杂金刚石过渡层中的硼含量由下至上线性递减，以硼掺杂金刚石底层的硼含量为最大值按线性递减至硼掺杂金刚石外层的硼含量。


4.根据权利要求1所述的一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极，其特征在于：所述梯度硼掺杂金刚石层通过化学气相沉积方法均匀沉积在衬底表面，梯度硼掺杂金刚石层的厚度为1μm～2mm；所述梯度硼掺杂金刚石层为多孔结构，其表面分布有微孔和/或尖锥，其中微孔直径为500nm～0.5mm，尖锥直径为1μm～30μm。


5.根据权利要求1所述的一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极，其特征在于：所述陶瓷衬底选自碳化物陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、MAX相陶瓷、BaPO3陶瓷中的一种；
所述陶瓷衬底形状包括圆柱状、圆筒状和平板状；
所述陶瓷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。


6.制备如权利要求1-5任意一项所述的一种含DLC表面修饰层的超高比表面积梯度掺硼金刚石电极的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、电极基体表面种植籽晶处理
将电极基体置于含纳米晶和/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/或微米晶金刚石的陶瓷衬底；
步骤二、沉积梯度硼掺杂金刚石层
将步骤二中所得陶瓷衬底置于化学沉积炉中，通入含碳气体，含硼气体，首先控制含硼气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.069％～0.0884％沉积12h以上，获得硼...

【专利技术属性】
技术研发人员：马莉，魏秋平，周科朝，王宝峰，王立峰，施海平，陈尹豪，
申请(专利权)人：江苏净钻环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32