[发明专利]网络互穿式金刚石涂层多孔电极的制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及新材料技术领域，具体地说，是一种用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术在活性碳基体上制备网络互穿结构金刚石涂层多孔电极的方法。

【背景技术】

作为新型碳素功能电极材料，掺硼金刚石涂层电极具有极低的背景电流，电极表面的静电容量只有几个微法/平方厘米(μf/cm²)，比玻璃碳等碳素电极材料小2个数量级，从而使得反应物在电极表面氧化还原所产生的信噪比远高于其他电极材料。金刚石涂层电极在电解质中具有宽电化学势窗(3～5V)，可以研究高过电位下才能发生的电化学反应，并实现常规电极不可能进行的物质分析、合成和分解。金刚石涂层电极表面具有非常好的“自洁”能力，而传统的石墨电极、铂电极等电极材料极易在表面吸附一层杂质或自氧化导致电极污染，表面电阻增大。金刚石涂层电极还具有硬度和强度方面的优异性能，可以耐受超声波对电极表面的强烈冲击，有较长的使用寿命。但是，金刚石电极的电容量比较低，这严重影响了它在电化学电容器、能量储存和产生装置(蓄电池和燃料电池)等方面的应用。例如，作为记忆备份装置用的能量供应双电层电容器通常在0.8～3.0V电势范围内工作，这就要求电极材料同时具有宽电势窗口和高电容量。对此，金刚石电极多孔化是一个有效的解决问题的途径。电极多孔化可以达到增加表面积、提高表面活性和提高电极的电荷储存能力等目的，在实际应用中可以降低对电极尺寸的要求。

经文献检索发现，已有人采用氧等离子刻蚀和化学气相沉淀(CVD)制备方法得到硼掺杂多孔金刚石，它的多孔结构使得金刚石涂层电极同时具备了高电容量和宽电势窗口的特点。但是，该方法成本高，目前还只局限于实验室研究。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种以活性碳材料为基体，采用化学气相沉积技术制备网络互穿结构金刚石涂层多孔电极的方法，以解决金刚石多孔电极制备成本高、工艺复杂以及电极面积受到限制的问题。

本发明网络互穿式金刚石涂层多孔电极的制备方法是通过以下技术方案来实现的。本发明采用碳质材料中间相和不同填充物制成的具有不同孔结构和性能的多孔活性碳材料为基体，液态丙酮为碳源，氢气为载体，用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)工艺在多孔活性碳基体上制备网络互穿结构金刚石涂层多孔电极。反应室抽真空后充入反应气体，反应气体在等离子体的激励下产生足够浓度的活性氢原子和含碳活性基团，调整反应室压力后开始用化学气相沉淀法(CVD)沉积金刚石涂层，其工艺参数为：压力0.5～5千帕(kPa)，气体总流量90～120毫升/分，丙酮/氢气为1～3％(体积比)。

本发明在装置中的反应室抽真空后，充入一定量的氢气，反应室本底真空度高于1×10^-3帕(Pa)，充入氢气的压力为2～4千帕(kPa)；其作用在于：产生的氢等离子体对活性碳衬底表面进行轰击清洗，活性氢原子是金刚石生长的促进剂。

以上所述的反应气体为氢气和丙酮。丙酮用氢气鼓泡法携入反应室。

以上所述的活性碳基体由良好的自烧结性碳质中间相和不同填充物混合后制成。

【具体实施方式】

以下提供本发明网络互穿式金刚石涂层多孔电极的制备方法的三种实施方式。

实施例1

用自烧结性碳质中间相和苹果碳填充物粉末混合后制成片状多孔活性碳，将片状多孔活性碳在丙酮溶液中进行超声清洗，清洗后吹干放入反应室，将微波反应室抽真空至1×10^-3帕(Pa)，充入2千帕(kPa)压力的氢气，开启功率为1000W的微波源，氢等离子体起辉后在10秒钟内温度升至750℃，恒温1分钟；通入反应气体，反应气体为氢气和丙酮，调整反应室压力后开始用化学气相沉淀法(CVD)沉积金刚石涂层，工艺参数为：压力2千帕(kPa)，气体总流量90毫升/分，丙酮/氢气为1％(体积比)。

实施例2

用自烧结性碳质中间相和碳纤维填充物混合后制成片状多孔活性碳，将片状多孔活性碳在0.5μm(微克分子的)金刚石砂丙酮溶液中进行超声振动，然后用去离子水清洗，吹干后放入反应室，将微波反应室抽真空至1×10³帕(Pa)，充入2千帕(kPa)压力的氢气，开启功率为1000瓦的微波源，氢等离子体起辉后在10秒钟内温度升至750℃，恒温1分钟；通入反应气体，反应气体为氢气和丙酮，调整反应室压力后开始用化学气相沉淀法(CVD)沉积金刚石涂层，工艺参数为：压力3千帕(kPa)，气体总流量100毫升/分，丙酮/氢气为2％(体积比)。

实施例3

用自烧结性碳质中间相和苹果渣填充物混合后制成片状多孔活性碳，将片状多孔活性碳用去离子水进行超声清洗，吹干后放入反应室，将微波反应室抽真空至1×10^-3帕(Pa)，充入2千帕(kPa)压力的氢气，开启功率为1000瓦的微波源，氢等离子体起辉后在10秒钟内温度升至750℃，恒温1分钟；通入反应气体，反应气体为氢气和丙酮，调整反应室压力后开始用化学气相沉淀法(CVD)沉积金刚石涂层，工艺参数为：压力4千帕(kPa)，气体总流量120毫升/分，丙酮/氢气为3％(体积比)。