[发明专利]用于电化学装置的金刚石电极

说明书

技术领域

本发明涉及金刚石电极的制造以及这些电极在电化学装置中的用途。

背景技术

众所周知，金刚石可被掺杂以使得能够导电，并且，这种掺杂的金刚石材料可被用于形成用于电化学装置中的电极。基于金刚石的电化学装置具有潜在广阔的应用范围，包括卫生和废水处理和分析。

金刚石的令人赞叹的材料性能使其成为大多数挑战性的电化学过程和环境的选择材料。其导电性、化学惰性，特别是其较宽的电化学窗口，使得金刚石装置能够检测以前其它材料不能检测或影响的化学物质。当被用作电化学单元以处理水时，金刚石单元可被用于产生氧化任何有毒有机物质的极其有力的氧化剂。

例如，金刚石可实现大量特定有机物质的直接氧化，有些有机物质对于基于钛、铂或其它贵金属基电极来说是不可能的。并且，金刚石是化学惰性的、机械稳固的、无污垢的和非多孔的。这些性质延长电化学装置的寿命，并允许它们甚至在最严酷的条件下工作。

两种一般类型的金刚石电极是已知的：在非金刚石芯部材料上设置金刚石涂层的金刚石涂敷电极；和基本上包含掺杂金刚石材料的实心件的实心金刚石电极。后者常被称为块体硼掺杂金刚石电极（或块体BDD电极）。虽然这种块体硼掺杂金刚石与它们的带涂层对应物相比制造起来是更昂贵的，但是，它们具有更长的寿命和更稳定的操作特性，使得它们对于许多应用来说是优选的选项。例如，涂敷金刚石电极上的金刚石涂层会具有从底层的芯部材料剥离的趋势，从而减小金刚石的反应表面积，从而在芯部材料的露出表面上出现不利的反应，并一般降低寿命。块体硼掺杂金刚石电极与带涂层电极相比在与标准Calomel电极（SCE）相对的电化学电势>2.0V上提供极其优越的尺寸稳定性，由此具有在延长的期间保持高电流密度的能力。

大多数的电解质有低的导电率，并且许多应用包括受向电极表面的质量传输限制的反应，并由此需要大表面积电极。

增加块体BBD电极的表面积的一种可能性是仅仅增加它们的尺寸。但是，由于需要更多的金刚石材料并且电极制造起来花费更长的时间，因此该方法导致成本增加。

另一种方法是通过使得电极较细增加表面与体积比。制作大的细块体BBD电极的一个问题是，电极日益变得更易碎和更脆。虽然金刚石本身非常硬，但是它有相对较低的韧度，因此，如果受到大的应力，例如，在后合成操作和电化学装置制造中，大的细电极会易于断裂和破坏。并且，由例如作用于电极表面上的电解质或固体材料的流动导致的应力在操作中作用于电化学装置内的电极上。

因此，本发明的发明人认识到，需要稳固的低成本的具有更大的表面积的块体BDD电极。

满足这种需要的一种可能性是处理块体BDD电极的表面以增加其表面积。向金刚石材料的表面赋予结构是已知的。例如，Takasu等提出了使用金属纳米粒子以在金刚石的表面中形成纳米通道（Y.Takasu,S.Konishi,W.Sugimoto,和Y.Murakami的“通过金属纳米粒子在金刚石表面层中纳米通道催化剂形成（Catalytic Formation of Nanochannels in the Surface Layers of Diamonds by Metal Nanoparticles）”Electrochem.Solid State Lett.,9(7):C114-C117,2006年7月）。

虽然上述的方法表现更高的电化学活动性，但是本发明的发明人认识到这些方法的问题。特别地，本发明的发明人认识到在高的电流密度（>500Am^-2）下电极会降低效率。

本发明的某些实施例的目的是，提供用于电化学装置中的具有更高的电效率的块体硼掺杂金刚石电极。特别地，本发明的目的是，至少部分地解决电化学装置的操作中、特别是高电流密度下的效率低下的问题。

发明内容

本发明的发明人找到上述的问题的所在是，在金刚石电极上的表面结构上捕获气体，由此减小电极在操作中特别是高电流密度下的有效面积。在BDD电化学反应器中，在电极的表面上释放气体，除非允许这些气体有效地逃逸，否则这些气体减小电极的有效面积。虽然坑/盲路结构增加电极的表面积并由此在开始增强电化学活动性，但是，在操作过程中，在电极表面上释放的气体变得在表面结构中被捕获，由此减少可用于反应的表面积，并由此由于气体释放和由附着的气泡导致的电解质位移导致效率降低。