[发明专利]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

说明书

本发明公开了一种含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。

技术领域

本发明涉及一种含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。

背景技术

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。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明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，本发明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，本发明采用如下技术方案：

本发明一种含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，本发明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。

本发明一种含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。