一种铌基硼掺杂金刚石泡沫电极及其制备方法与应用与流程

文档序号:11147036阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种铌基硼掺杂金刚石泡沫电极,所述电极是由泡沫金属骨架表面设置一层金属铌,或在泡沫骨架表面设置一层改性层后,再在改性层表面设置一层金属铌构成的电极基体,再在电极基体表面设置硼掺杂金刚石层或硼掺杂金刚石层复合层构成。

2.根据权利要求1所述的一种铌基硼掺杂金刚石泡沫电极,其特征在于:所述泡沫骨架选自海绵、泡沫金属或合金、泡沫有机物、泡沫非金属无机物中的一种。

3.根据权利要求2所述的一种铌基硼掺杂金刚石泡沫电极,其特征在于:泡沫骨架基体孔径为0.01~10mm,开孔率20%~99%,孔洞均匀分布或随机分布;泡沫基体为二维平面片状结构或三维立体结构;金属铌沉积层厚度为5μm-3mm。

4.根据权利要求3所述的一种铌基硼掺杂金刚石泡沫电极,其特征在于:所述泡沫金属或合金选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、泡沫钴、泡沫钨、泡沫钼、泡沫铬、泡沫铁镍、泡沫铝中的一种;所述泡沫非金属无机物选自泡沫A12O3、泡沫ZrO2、泡沫SiC、泡沫Si3N4、泡沫BN、泡沫B4C、泡沫AlN、泡沫WC、泡沫Cr7C3中的一种;所述泡沫有机物选自聚氨酯(PUR)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、酚醛树脂(PF)等中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种铌基硼掺杂金刚石泡沫电极,其特征在于:改性层材料选自钛、镍、钨、钼、铬、钽、铂、银、硅中的一种或多种的复合。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的铌基硼掺杂金刚石泡沫电极,其特征在于:所述掺硼金刚石复合层选自石墨烯包覆掺硼金刚石、碳纳米管包覆掺硼金刚石、碳纳米管/石墨烯包覆掺硼金刚石中的一种。

7.一种铌基硼掺杂金刚石泡沫电极的应用,是将权利要求6所述的电极应用于电化学合成、电化学污水净化处理、电化学检测、电化学生物传感器领域。

8.根据权利要求7所述一种铌基硼掺杂金刚石泡沫电极的应用,在进行污水处理时,利用具有空间网络互穿多孔结构的铌基硼掺杂金刚石泡沫电化学氧化与臭氧氧化、光催化降解、生物氧化技术耦合使用,衍生出更高效节能的处理方法。

9.一种铌基硼掺杂金刚石泡沫电极的制备方法,包括下述步骤:

第一步,泡沫金属骨架表面金属铌层采用磁控溅射法、化学电沉积法中的一种方法制备;或采用化学镀、电镀、静电吸附法、电泳法中的一种方法在泡沫有机物骨架或泡沫无机物骨架表面设置改性层后,再在改性层表面设置金属铌层,得到电极基体;

第二步,通过化学气相沉积方法在电极基体表面均匀沉积掺硼金刚石层或硼掺杂金刚石层复合层。

10.根据权利要求9所述的一种铌基硼掺杂金刚石泡沫电极的制备方法,其特征在于:第一步中,

磁控溅射法在泡沫骨架表面设置金属铌层工艺参数为:

采用直流磁控溅射系统,工作气体为99.99%高纯氩气,靶材为纯度为99.95%的金属铌靶,工作气压为0.6Pa,溅射功率为120-200W,靶材与样品距离为50-100mm,沉积速率为10-500nm/min,沉积时间为5min-1000min;或,

化学电沉积沉积金属铌层工艺参数为:

化学电沉积金属铌层是以泡沫骨架为阴极,质量百分含量达到99.9%的纯铌板为阳极,用砂纸打磨,机械抛光至光亮镜面,丙酮清洗1-10min,稀盐酸活化1-10min,去离子水冲洗,再用丙酮脱脂,风干;电解质由离子液体氯化胆碱与乙二醇按摩尔比1∶2配置,采用恒电流沉积,恒定电流密度为0.10~0.05mA/cm2,电沉积温度140~150℃,沉积时间为5-300min,铌镀层厚度为1-50μm;

对于泡沫金属骨架,先采用1vol.%HCl清洗去除表面金属氧化物,然后用丙酮清洗去除表面油污后,接入电沉积系统阴极;

对于泡沫有机物或泡沫无机物,采用化学镀、电镀、静电吸附法、电泳法中的一种方法在其表面沉积一层改性层后,接入电沉积系统阴极。

11.根据权利要求10所述的一种铌基硼掺杂金刚石泡沫电极的制备方法,其特征在于:第二步中,

沉积硼掺杂金刚石层工艺参数为:

将第一步得到的电极基体置于化学气相沉积炉中,或对电极基体表面种植籽晶后再置于化学气相沉积炉中,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,得到表面设置硼掺杂金刚石层的电极基体;硼源采用固体、液体、气体硼源中的一种;

沉积石墨烯包覆硼掺杂金刚石复合层:

将已沉积硼掺杂金刚石层的电极基体置于化学气相沉积炉中,直接沉积石墨烯;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;或

在掺硼金刚石表面采用电镀、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掺硼金刚石表面沉积镍、铜、钴中的一种或复合改性层,再沉积石墨烯,得到表面为石墨烯包覆硼掺杂金刚石的泡沫骨架;

沉积碳纳米管包覆硼掺杂金刚石复合层:

将已沉积硼掺杂金刚石层的电极基体置于化学气相沉积炉中,直接沉积碳纳米管;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;或

在掺硼金刚石表面采用电镀、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沉积表面沉积镍、铜、钴中的一种或复合改性层,再沉积碳纳米管,得到表面为碳纳米管包覆硼掺杂金刚石的泡沫骨架;

沉积碳纳米管/石墨烯包覆掺硼掺杂金刚石复合层:

将已沉积硼掺杂金刚石层的电极基体置于化学气相沉积炉中,直接沉积碳纳米管、石墨烯复合体;碳纳米管林沉积参数为: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;石墨烯墙沉积参数为: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;或

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掺硼金刚石表面沉积镍、铜、钴中的一种或复合改性层;再沉积碳纳米管、石墨烯,得到表面为碳纳米管/石墨烯包覆掺硼掺杂金刚石的泡沫骨架。

12.根据权利要求11所述的一种铌基硼掺杂金刚石泡沫电极的制备方法,其特征在于:将已沉积硼掺杂金刚石层的电极基体清洗、烘干后置于化学气相沉积炉中,沉积石墨烯、碳纳米管、碳纳米管/石墨烯时,在泡沫基体上施加等离子辅助生长,同时在泡沫基体底部添加磁场,将等离子体约束在泡沫基体近表面,强化等离子对泡沫基体表面的轰击,使石墨烯或/和碳纳米管垂直于金刚石表面生长,形成碳纳米管林或石墨烯墙,得到表面均布石墨烯墙包覆金刚石、碳纳米管林包覆金刚石或碳纳米管林/石墨烯墙包覆金刚石的三维空间网络多孔电极。

13.根据权利要求11所述的一种铌基硼掺杂金刚石泡沫电极的制备方法,其特征在于:对电极基体表面种植籽晶的方法是:

将电极基体置于纳米晶和微米晶金刚石混合颗粒的悬浊液中,于超声波中震荡、分散均匀,纳米晶和微米晶金刚石颗粒吸附在电极基体网孔表面;或

配置含有纳米或微米金刚石的水溶液或有机溶液,采用电泳沉积法使纳米晶和微米晶金刚石颗粒吸附在电极基体网孔表面。

14.根据权利要求11所述的一种铌基硼掺杂金刚石泡沫电极的制备方法,其特征在于:硼掺杂金刚石层厚度或硼掺杂金刚石层复合层厚度为0.5μm~500μm,掺硼金刚石层中硼含量为100~3000ppm。

15.根据权利要求11所述的一种铌基硼掺杂金刚石泡沫电极的制备方法,其特征在于:所述铌基硼掺杂金刚石泡沫电极兼具微米级掺硼金刚石及纳米级掺硼金刚石形貌,从泡沫骨架外层到内层呈现梯度形貌分布,具体为在泡沫骨架外层呈微米级掺硼金刚石形貌;泡沫骨架内层呈纳米级掺硼金刚石形貌;晶粒尺寸为1nm-300μm。

16.根据权利要求15所述的一种泡沫骨架增强的铌电极的制备方法,其特征在于:对铌基硼掺杂金刚石泡沫电极表面进行无相变刻蚀,进一步提高所述掺硼金刚石比表面积;所述无相变刻蚀采用活性H原子或高能激光进行,使金刚石表面均匀分布大量微孔。

17.根据权利要求15所述的一种泡沫骨架增强的铌电极的制备方法,其特征在于:针对应用于生物传感器的铌基硼掺杂金刚石泡沫电极,对其表面进行金属热催化刻蚀处理,热催化刻蚀处理金属选自镍、铜、金、银、钴、铼中的一种,热催化刻蚀处理金属厚度为1nm-900nm,热催化刻蚀温度700-1000℃,时间1-180分钟。

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