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　　申請號：201610919507.6
　　申請人：中南大學
　　發明人：魏秋平 周科朝 馬莉 張龍 余志明

　　摘要： 一種高比表面積硼摻雜金剛石(BDD)電極，包括電極襯底，所述電極襯底表面設置一層硼摻雜金剛石層，或在襯底表面設置一層過渡層后，再在過渡層表面設置一層硼摻雜金剛石層，在金剛石層中分布有金屬顆粒，在金剛石層表面分布有微孔和/或尖錐。相對于傳統的平板電極，本發明的硼摻雜金剛石電極含有大量微孔和尖錐，具有極高的比表面積，用較低的電流密度提供較大的電流強度；同時，配合襯底的不同的電極構型及表面石墨烯和/或碳納米管(CNT)的修飾，能夠極大地改善傳質過程，較大地提高電流效率和電化學性能，制備出電催化活性高、使用效率高的BDD電極。本電極可廣泛應用于電化學污水凈化處理、電化學生物傳感器、強氧化劑電化學合成、電化學檢測等領域。

　　主權利要求：1.一種高比表面積硼摻雜金剛石電極，包括電極襯底，所述電極襯底表面設置一層硼摻雜金剛石層，或在襯底表面設置一層過渡層后，再在過渡層表面設置一層硼摻雜金剛石層，在金剛石層中分布有金屬顆粒，在金剛石層表面分布有微孔和/或尖錐。
　　2.根據權利要求1所述的一種高比表面積硼摻雜金剛石電極，其特征在于：電極襯底材料選自金屬鎳、鈮、銅、鈦、鈷、鎢、鉬、鉻、鐵中的一種或其合金中的一種；或電極襯底材料選自陶瓷A12O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN、B4C、AlN、WC、Cr7C3中的一種。
　　3.根據權利要求1所述的一種高比表面積硼摻雜金剛石電極，其特征在于：所述電極結構為平面型、柱面型、平面螺旋型、柱面螺旋型、平面編織網絡型、三維編織網絡型、蜂窩多孔型、泡沫多孔型中的一種。
　　4.根據權利要求1所述的一種高比表面積硼摻雜金剛石電極，其特征在于：所述過渡層材料選自鈦、鎢、鉬、鉻、鉭、鉑、銀、鋁、銅、硅中的一種或多種的復合。過渡層采用電鍍、化學鍍、蒸鍍、磁控濺射、化學氣相沉積、物理氣相沉積中的一種方法在泡沫骨架表面制備。
　　5.根據權利要求1所述的一種高比表面積硼摻雜金剛石電極，其特征在于：在分布有微孔和/或尖錐的金剛石層表面沉積有石墨烯或/和碳納米管層。
　　6.根據權利要求1所述的一種高比表面積硼摻雜金剛石電極，其特征在于：所述摻硼金剛石層通過化學氣相沉積方法均勻沉積在襯底表面，金剛石層厚度范圍為1μm～2mm。
　　7.根據權利要求1所述的一種高比表面積硼摻雜金剛石電極，其特征在于：分布在金剛石層中的金屬顆粒材料選自金屬鐵、鈷、鎳、釕、鉑、鈷、金、鎢、銀、銅、銀、鈀、銥中的一種或復合。
　　8.根據權利要求1-7任意一項所述的一種高比表面積硼摻雜金剛石電極，其特征在于：金剛石層表面的微孔尺寸范圍為500nm-5mm，尖錐直徑范圍為1μm-30μm。
　　9.如權利要求8所述的一種高比表面積硼摻雜金剛石電極的制備方法，包括下述步驟：第一步，沉積硼摻雜金剛石層將電極基體置于由納米晶和/或微米晶金剛石混合顆粒構成的懸濁液中，或在電極基體表面制備中間過渡層后，置于由納米晶和/或微米晶金剛石混合顆粒構成的懸濁液中，采用超聲波震蕩，使納米晶和/或微米晶金剛石顆粒分散均勻并鑲嵌在電極基體表面后，取出電極基體，烘干，然后，在化學氣相沉積爐中，沉積硼摻雜金剛石層；沉積工藝參數為：含碳氣體占爐內全部氣體質量流量百分比為0.5-10.0％；生長溫度為600-1000℃，生長氣壓103-104Pa；硼源采用固體、液體、氣體硼源中的一種；第二步，硼摻雜金剛石層表面微孔和尖錐的制備采用磁控濺射法或化學鍍法在第一步得到的電極基體的金剛石表面沉積對碳具有較高催化能力的第一金屬層，對已沉積第一金屬層的硼摻雜金剛石層進行第一次高溫熱處理，使第一金屬層在高溫下球化，在金剛石表面形成彌撒分布的金屬納米球或微米球；在高溫下，金剛石中的碳原子不斷固溶到金屬納米球或微米球中，通過添加氫氣刻蝕金屬納米球或微米球中碳原子過飽和固溶時析出的固體碳，使金屬納米球或微米球不斷向金剛石內部遷移，最終在金剛石表面形成大量的微孔和尖錐；所述金屬層材料選自金屬鐵、鈷、鎳中的一種或復合；第一次高溫熱處理溫度為600-1000℃，時間1min-3h，爐內氣氛選自CH4，H2，N2，Ar氣體的一種或混合，爐內壓強為0.1-1個大氣壓。
　　10.根據權利要求9所述的一種高比表面積硼摻雜金剛石電極的制備方法，其特征在于：在金剛石表面形成了大量的微孔和尖錐的電極基體表面制備高溫下不形成碳化物和不固溶碳原子的第二金屬層，然后，在保護氣氛或真空中通過第二次高溫熱處理使第二金屬層球化成納米金屬球并嵌入微孔中；所述第二金屬層的金屬選自釕、鉑、金、銀、銅、鈀、銥中的一種或復合；第二次高溫熱處理溫度為600-1000℃，時間1min-3h，爐內氣氛選自真空，N2，Ar氣體的一種或混合，爐內壓強為0Pa-1個大氣壓。
　　11.根據權利要求10所述的一種高比表面積硼摻雜金剛石電極的制備方法，其特征在于：在分布有微孔和/或尖錐的金剛石層表面，采用化學氣相沉積法沉積石墨烯或/和碳納米管層；具體沉積工藝參數為：沉積石墨烯包覆硼摻雜金剛石復合層：沉積參數為：含碳氣體占爐內全部氣體質量流量百分比為5-80％；生長溫度為400-1200℃，生長氣壓5-105Pa；等離子電流密度0-50mA/cm2；沉積區域中磁場強度為100高斯至30特斯拉；沉積碳納米管包覆硼摻雜金剛石復合層：沉積參數為：含碳氣體占爐內全部氣體質量流量百分比為5-50％；生長溫度為400-1300℃，生長氣壓103-105Pa；等離子電流密度0-30mA/cm2；沉積區域中磁場強度為100高斯至30特斯拉；沉積碳納米管/石墨烯包覆摻硼摻雜金剛石復合層：先沉積碳納米管，沉積參數為：含碳氣體占爐內全部氣體質量流量百分比為5-50％；生長溫度為400-1300℃，生長氣壓103-105Pa；等離子電流密度0-30mA/cm2；沉積區域中磁場強度為100高斯至30特斯拉；然后沉積石墨烯，沉積參數為：含碳氣體占爐內全部氣體質量流量百分比為5-80％；生長溫度為400-1200℃，生長氣壓5-105Pa；等離子電流密度0-50mA/cm2；沉積區域中磁場強度為100高斯至30特斯拉。
　　12.根據權利要求11所述的一種高比表面積硼摻雜金剛石電極的制備方法，其特征在于：硼源為氣體硼源時，含硼氣體占爐內全部氣體質量流量比為0.1-1％。
　　13.一種高比表面積硼摻雜金剛石電極的應用，是將該電極用于電化學污水凈化處理、電化學生物傳感器、電化學合成、電化學檢測領域。