一种高比表面积金纳米颗粒修饰掺硼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高比表面积金纳米颗粒修饰掺硼金刚石电极及其制备方法和应用，属于金刚石电极技术领域。该电极制备步骤：(1)采用热丝化学气相沉积法制备掺硼金刚石薄膜；(2)采用反应离子刻蚀法，对掺硼金刚石薄膜进行反应氧等离子体刻蚀，得到具有纳米草形貌的纳米掺硼金刚石薄膜；(3)采用电子束蒸发技术，在纳米掺硼金刚石薄膜表面沉积一层金薄膜；(4)在氩气保护气氛下，对复合薄膜进行退火处理，制成高比表面积金纳米颗粒修饰掺硼金刚石电极。所述方法通过反应离子刻蚀和金纳米颗粒修饰两种手段解决了传统掺硼金刚石电极比表面积低、电化学活性位点不足的问题，可显著提升电极的电化学传感性能。极的电化学传感性能。

【技术实现步骤摘要】
一种高比表面积金纳米颗粒修饰掺硼金刚石电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于金刚石电极
，具体为一种高比表面积金纳米颗粒修饰掺硼金刚石电极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]掺硼金刚石薄膜电极(BDD)因其独特的晶体结构而具有许多出色的电化学特性，如宽电化学视窗、低背景电流及优异的物理化学稳定性，从而在电化学传感领域具有极佳的应用前景。
[0003]然而，传统BDD电极比表面积较低，这使得电极表面缺乏有效的电化学活性位点，制约了电极表面的传质效率，这成为BDD电极在电化学传感应用中的短板。金纳米颗粒(AuNPs)在电化学过程中表现出不同于块状材料的电化学性能，能够有效改善电极表面与溶液的电化学接触，促进电极/界面间的电荷传导，增强电化学响应。所以，电极表面负载AuNPs，可显著增加电极的电化学活性位点，这对于缺乏电化学活性位点的BDD薄膜电极来说非常有益。研究表明，BDD电极表面负载AuNPs可显著提升其电化学活性。
[0004]但是，负载AuNPs的基体比表面积对修饰后的电化学性能影响显著。大量研究表明，选择石墨、碳纳米管、石墨烯等比表面积较高的碳材料作为负载AuNPs的基体应用于电化学传感，都取得了良好的效果。然而，对于传统的BDD电极，因其固有的结构特征，其比表面积不占优势，这将制约BDD电极负载AuNPs后电化学传感性能的发挥。
[0005]综上所述，增大BDD电极的比表面积，同时实现所负载AuNPs的可控制备就成为能否进一步提高AuNPs修饰BDD电极电化学传感性能的关键。

技术实现思路

[0006]针对传统BDD电极存在的比表面积不足、电化学活性位点低的问题，本专利技术的目的在于提供一种高比表面积金纳米颗粒修饰掺硼金刚石电极电极及其制备方法和应用，制备的高比表面积AuNPs颗粒修饰BDD电极，具有较高的电化学传感性能，灵敏度优异，且表现出良好的重现性和长期测量稳定性。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0008]一种高比表面积金纳米颗粒(AuNPs)修饰掺硼金刚石电极(BDD)电极的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0009]一、掺硼金刚石薄膜的制备：
[0010]将单晶硅依次置于丙酮、酒精和去离子水中分别超声清洗10分钟，用氮气吹干后，将单晶硅置于纳米金刚石悬浮液中超声30分钟，进行植晶处理。取出后再在酒精中超声3分钟，之后用氮气吹干备用。
[0011]制备薄膜之前，对钽丝进行碳化，碳化过程中，氢气的流量为350～450sccm，甲烷的流量为15～25sccm，并保证甲烷和氢气的气体流量比为4
‑
6％，钽丝温度控制在2200℃～
2400℃，气压为2.5～3.5kPa，碳化时间为1.5～2.5h。
[0012]碳化完毕，冷却之后，将植晶处理好的单晶硅衬底置于热丝化学气相沉积设备腔体中，以氢气、甲烷为反应气体，以含三甲基硼烷的混合气体为硼掺杂剂(即硼源气体，硼源气体中TMB的体积比例为0.5
‑
1.5％)，步骤(1)中所通入氢气、甲烷及硼源气体的体积流量比为：(750
‑
850):(7
‑
9):(8
‑
10)，以获得B/C原子比为(0.01
‑
0.015)：1的BDD薄膜。
[0013]所述热丝化学气相沉积中，沉积功率为3～4kW,气压为3～4kPa,衬底温度在800～850℃，沉积时间为7～8h，在衬底表面得到BDD薄膜。
[0014]二、反应离子刻蚀
[0015]将制备好的BDD薄膜置于反应离子刻蚀设备腔室内，通入氧气，对其进行反应氧等离子体刻蚀，功率为250～350W，氧气气压为15～25Pa，氧气流量为5～15sccm，处理时间为30～90s，得到具有纳米草形貌的纳米BDD薄膜(BDD
‑
RIE)。
[0016]三、镀膜
[0017]将纳米草形貌的纳米BDD薄膜(BDD
‑
RIE)置于电子束蒸发设备中，在其表面镀金薄膜，蒸发电流为700～900mA，沉积时间为100～300s，得到Au/BDD
‑
RIE复合薄膜。
[0018]四、退火
[0019]将Au/BDD
‑
RIE复合薄膜置于管式炉中，在Ar保护气氛下进行退火处理，Ar流量控制在50～150sccm范围内，退火温度为400℃～800℃，退火时间为1～3h，处理之后Au薄膜变为Au纳米颗粒(AuNPs)，得到高比表面积的AuNPs修饰BDD
‑
RIE电极(AuNPs/BDD
‑
RIE)。
[0020]本专利技术的有益效果：
[0021]与传统的BDD电极相比，本专利技术采用反应离子刻蚀和AuNPs修饰相结合的方法，最终使电极表面形成钟乳石状凹坑和金纳米颗粒的镶嵌结构，该结构不仅使BDD电极的比表面积得到显著提升，克服了传统BDD电极比表面积低的短板，而且AuNPs的修饰会有显著提升BDD电极的电化学活性位点，有效解决BDD电极的电化学活性位点不足的问题，因此，反应离子刻蚀和AuNPs修饰相结合的方法对于提升BDD电极的电化学传感性能十分有益，此外，在该结构中，AuNPs坐落于凹坑之中且经退火之后被强烈固定，这有助于提高AuNPs与BDD之间的结合力，提升电极的稳定性。
[0022]本专利技术制备的高比表面积AuNPs颗粒修饰BDD电极，具有较高的电化学传感性能，利用AuNPs/BDD
‑
RIE电极测试海水盐度，在盐度为40
‰
时，AuNPs/BDD
‑
RIE电极的盐度电流响应比传统的BDD电极增强2.19倍，灵敏度优异，且表现出良好的重现性和长期测量稳定性。
[0023]本专利技术用于一种高比表面积AuNPs颗粒修饰BDD电极的制备方法，为提升BDD电极电化学传感性能提供了一种新的途径。
附图说明
[0024]图1为实施例1所制备的金纳米颗粒修饰掺硼金刚石(AuNPs/BDD
‑
RIE)电极；其中：(a)扫描电子显微镜图；(b)拉曼光谱图，横坐标Raman shift(cm
‑1)代表波数，纵坐标Intensity(a.u.)代表强度；(c)X射线衍射图，横坐标2Theta(degree)代表衍射角，纵坐标Intensity(a.u.)代表强度；(d)盐度电流响应曲线，横坐标Salinity(
‰
)代表盐度，纵坐标Current Density(mA
·
cm
‑2)代表电流密度。
[0025]图2为实施例2所制备的金纳米颗粒修饰掺硼金刚石(AuNPs/BDD
‑
RIE)电极；其中：(a)扫描电子显微镜图；(b)拉曼光谱图，横坐标Raman shift(cm
‑1)代表波数，纵坐标In本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高比表面积金纳米颗粒修饰掺硼金刚石电极的制备方法和应用，其特征在于：该方法包括如下步骤：(1)热丝化学气相沉积(HFCVD)：将经过前处理的单晶硅衬底放入热丝化学气相沉积设备中，通入氢气、甲烷及硼源气体，通过热丝化学气相沉积在衬底表面制备出掺硼金刚石薄膜；(2)反应离子刻蚀(RIE)：将步骤(1)得到的BDD薄膜置于反应离子刻蚀设备腔室中，通入氧气，对其进行反应离子体刻蚀，刻蚀后得到具有纳米草形貌的纳米掺硼金刚石薄膜(BDD
‑
RIE)；(3)镀膜：将步骤(2)得到的纳米掺硼金刚石薄膜(BDD
‑
RIE)置于电子束蒸发设备中，在其表面镀金薄膜，蒸发电流为700～900mA，沉积时间为100～300s；制备得到Au/BDD
‑
RIE复合薄膜；(4)退火：将步骤(3)得到的Au/BDD
‑
RIE复合薄膜置于管式炉中，在氩气保护气氛下进行退火处理，退火温度为400℃～800℃，退火时间为1～3h，得到高比表面积的金纳米颗粒(AuNPs)修饰掺硼金刚石电极(AuNPs/BDD
‑
RIE)。2.根据权利要求1所述的高比表面积金纳米颗粒修饰掺硼金刚石电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述前处理为：将单晶硅衬底依次置于丙酮、酒精和去离子水中分别进行超声清洗10分钟，洗净吹干后，将单晶硅衬底置于纳米金刚石悬浮液中超声30分钟，进行植晶处理，之后在酒精中超声3分钟，吹干备用。3.根据权利要求1所述的高比表面积金纳米颗粒修饰掺硼金刚石电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述热丝化学气相沉积中，沉积功率为3～4kW,气压为3～4kPa，衬底温度800～850℃，沉积时间为7～8h，在衬底表面得到掺硼金刚石(BDD)薄膜。4.根据权利要求1或3所述的高比...

【专利技术属性】
技术研发人员：史丹，黄楠，刘鲁生，翟朝峰，杨兵，宋昊哲，姜辛，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：