[发明专利]一种亚氧化钛-掺杂金刚石复合惰性膜电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种亚氧化钛‑掺杂金刚石复合惰性膜电极及其制备方法和应用，所述亚氧化钛‑掺杂金刚石复合惰性膜电极包括基底以及设置于基底表面的电极工作层，所述电极工作层由亚氧化钛膜层与掺杂金刚石膜层组成，所述亚氧化钛膜层中的亚氧化钛为Magnéli相亚氧化钛，亚氧化钛薄膜中钛氧化物的化学式为Ti_nO_2n‑x其中n为1‑5，x为0‑3，所述亚氧化钛膜层中分散有掺杂金刚石颗粒。所提供的复合惰性膜电极具有异质结效应，具备良好的导电性、光电响应性、耐腐蚀性和机械强度，可用作电催化污水降解、化学电池正极轻质板栅、双极性电池极板、电化学传感器等领域。

技术领域

本发明公开了一种亚氧化钛-掺杂金刚石复合惰性膜电极及其制备方法和应用，属于电极制备技术领域。

背景技术

掺杂金刚石具有极宽的电化学窗口、极高的析氧电位、极低的背景电流、极好的化学稳定性、表面惰性及弱吸附性，是环境电化学领域的研究热点。在生态环境领域，常被用来处理具有高浓度、高盐度、高氨氮、强酸碱度等特点的难生化降解有机废水，被称为“理想的阳极材料”。

电催化氧化被称为“环境友好”技术，是利用电子作为催化剂，在常温常压下能有效处理含有机污染物废水。随着电催化氧化正在不断的工业化，使得电催化氧化技术应用于大规模的现场应用正在成为可能。电催化氧化中最为关键的就是阳极材料的选择。亚氧化钛具有高电导率的特点，但是析氧电位不足，因此对于一些难生化降解有机废水无法达到理想的降解效果。

然而，虽然掺杂金刚石电极具有极高的析氧电位，但相比金属或氧化物薄膜，其导电性较差，在使用过程中存在效率低且能耗偏高等问题；另外现有工艺技术下，以泡沫、颗粒为基体的掺杂金刚石电极在制备过程中容易出现覆盖不均匀甚至脱落的问题。

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膜层覆盖均匀，具有优异导电性能，电催化降解性能的亚氧化钛-掺杂金刚石复合惰性膜电极。

本发明的第二个目的在于提供一种亚氧化钛-掺杂金刚石复合惰性膜电极的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种亚氧化钛-掺杂金刚石复合惰性膜电极的应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种亚氧化钛-掺杂金刚石复合惰性膜电极，所述亚氧化钛-掺杂金刚石复合惰性膜电极包括基底以及设置于基底表面的电极工作层，所述电极工作层由亚氧化钛膜层与掺杂金刚石膜层组成，所述亚氧化钛膜层中的亚氧化钛为Magnéli相亚氧化钛，亚氧化钛薄膜中钛氧化物的化学式为Ti_nO_2n-x其中n的范围为1-5，x的范围为0-3，所述亚氧化钛膜层中分散有掺杂金刚石颗粒；

所述电极工作层中，由下至上，依次为亚氧化钛膜层、掺杂金刚石膜层；或由下至上，依次为掺杂金刚石膜层、亚氧化钛膜层。

所述复合惰性膜电极包括两种结构，由下至上分别为亚氧化钛膜层和掺杂金刚石膜层，或由下至上分别为掺杂金刚石膜层和亚氧化钛膜层。

发明人意外的发现，亚氧化钛膜具有优异的导电性性能，然后由于其析氧电位偏低，无法氧化电位高的难降解有机物，而掺杂金刚石电极具有极高的析氧电位，但是导电性较差，然而当两者复合时，亚氧化钛膜层却可以与掺杂金刚石膜层形成PN结从而加强在恒定电场中的电子分离从而提高电流效率，从而获得最有优异催化性能的耦合电极。

另外在亚氧化钛膜层中引入掺杂金刚石颗粒，一方面，可以改善双层膜之间热膨胀系数不匹配的问题，另外一方面易与掺杂金刚石膜层形成O-C键，通过上述两方面的作用使得双层膜不仅具有优异的结合性能，并进一步提升导电性，此外，又可以作为后续CVD制备掺杂金刚石膜层的晶核，提升双层膜之间的结合力。