[发明专利]一种高比表面积金纳米颗粒修饰掺硼金刚石电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高比表面积金纳米颗粒修饰掺硼金刚石电极及其制备方法和应用，属于金刚石电极技术领域。该电极制备步骤：(1)采用热丝化学气相沉积法制备掺硼金刚石薄膜；(2)采用反应离子刻蚀法，对掺硼金刚石薄膜进行反应氧等离子体刻蚀，得到具有纳米草形貌的纳米掺硼金刚石薄膜；(3)采用电子束蒸发技术，在纳米掺硼金刚石薄膜表面沉积一层金薄膜；(4)在氩气保护气氛下，对复合薄膜进行退火处理，制成高比表面积金纳米颗粒修饰掺硼金刚石电极。所述方法通过反应离子刻蚀和金纳米颗粒修饰两种手段解决了传统掺硼金刚石电极比表面积低、电化学活性位点不足的问题，可显著提升电极的电化学传感性能。

技术领域

本发明属于金刚石电极技术领域，具体为一种高比表面积金纳米颗粒修饰掺硼金刚石电极及其制备方法和应用。

背景技术

掺硼金刚石薄膜电极(BDD)因其独特的晶体结构而具有许多出色的电化学特性，如宽电化学视窗、低背景电流及优异的物理化学稳定性，从而在电化学传感领域具有极佳的应用前景。

然而，传统BDD电极比表面积较低，这使得电极表面缺乏有效的电化学活性位点，制约了电极表面的传质效率，这成为BDD电极在电化学传感应用中的短板。金纳米颗粒(AuNPs)在电化学过程中表现出不同于块状材料的电化学性能，能够有效改善电极表面与溶液的电化学接触，促进电极/界面间的电荷传导，增强电化学响应。所以，电极表面负载AuNPs，可显著增加电极的电化学活性位点，这对于缺乏电化学活性位点的BDD薄膜电极来说非常有益。研究表明，BDD电极表面负载AuNPs可显著提升其电化学活性。

但是，负载AuNPs的基体比表面积对修饰后的电化学性能影响显著。大量研究表明，选择石墨、碳纳米管、石墨烯等比表面积较高的碳材料作为负载AuNPs的基体应用于电化学传感，都取得了良好的效果。然而，对于传统的BDD电极，因其固有的结构特征，其比表面积不占优势，这将制约BDD电极负载AuNPs后电化学传感性能的发挥。

综上所述，增大BDD电极的比表面积，同时实现所负载AuNPs的可控制备就成为能否进一步提高AuNPs修饰BDD电极电化学传感性能的关键。

发明内容

针对传统BDD电极存在的比表面积不足、电化学活性位点低的问题，本发明的目的在于提供一种高比表面积金纳米颗粒修饰掺硼金刚石电极电极及其制备方法和应用，制备的高比表面积AuNPs颗粒修饰BDD电极，具有较高的电化学传感性能，灵敏度优异，且表现出良好的重现性和长期测量稳定性。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高比表面积金纳米颗粒(AuNPs)修饰掺硼金刚石电极(BDD)电极的制备方法，该方法包括以下步骤：

一、掺硼金刚石薄膜的制备：

将单晶硅依次置于丙酮、酒精和去离子水中分别超声清洗10分钟，用氮气吹干后，将单晶硅置于纳米金刚石悬浮液中超声30分钟，进行植晶处理。取出后再在酒精中超声3分钟，之后用氮气吹干备用。

制备薄膜之前，对钽丝进行碳化，碳化过程中，氢气的流量为350～450sccm，甲烷的流量为15～25sccm，并保证甲烷和氢气的气体流量比为4-6％，钽丝温度控制在2200℃～2400℃，气压为2.5～3.5kPa，碳化时间为1.5～2.5h。

碳化完毕，冷却之后，将植晶处理好的单晶硅衬底置于热丝化学气相沉积设备腔体中，以氢气、甲烷为反应气体，以含三甲基硼烷的混合气体为硼掺杂剂(即硼源气体，硼源气体中TMB的体积比例为0.5-1.5％)，步骤(1)中所通入氢气、甲烷及硼源气体的体积流量比为：(750-850):(7-9):(8-10)，以获得B/C原子比为(0.01-0.015)：1的BDD薄膜。

所述热丝化学气相沉积中，沉积功率为3～4kW,气压为3～4kPa,衬底温度在800～850℃，沉积时间为7～8h，在衬底表面得到BDD薄膜。