[发明专利]一种掺硼金刚石粉末的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料合成领域，涉及电化学催化或活化电极材料的合成，特别涉及纳米、亚微米或微米金刚石掺硼，获得具有导电特性的掺硼金刚石(Boron doped diamond，BDD)，以有效地应用于各电化学领域范围内。

背景技术

BDD是被广泛研究的电极催化材料，具有良好的物理与化学特性，如机械强度高、较高的硬度，电阻率和热导率、光透性好、生物相容性、化学惰性以及良好的导电性；在电化学上，具有电势窗口宽、较低的双层电容，吸附性及背景电流，在不同溶液中，具有极高的抗腐蚀性。作为催化剂材料，在电分析、电合成、污水处理、燃料电池、超级电容器以及生物化学传感器等领域都有广泛应用。

对燃料电池的阴极催化剂而言，主要以商用Pt/C为主。为了实现商业化应用，需要一定的Pt负载量，因Pt基催化剂价格昂贵，提高了催化剂的成本。此外，在直接甲醇燃料电池中，还易受甲醇渗透的影响，产生“混合电位”，大大降低燃料电池的效率和电池的输出功率，导致非Pt基催化剂成为了研究重点。在非Pt基催化剂中，BDD因可以改变碳材料的结构，进而影响其亲水性、导电性和催化活性等特性，电化学上，具有电势窗口宽、背景电流低、极高的化学稳定性、低吸附性及活性表面积大，能够有效提高电化学反应效率等优点，使BDD获得了广泛的关注与研究。

目前常用掺硼的方法是气相法，即在气相沉积金刚石薄膜的过程将硼烷通入反应室内，虽然掺硼量可精确控制，但由于硼烷毒性大，使用时需要十分小心谨慎。也有将B₂O₃溶于有机溶剂后，再用载气将含硼有机溶剂通入到反应室中，但此方法掺硼量不好控制。

本发明是将气相沉积与高温扩散结合起来，利用热丝化学气相沉积法(HFCVD)在硼粉或含硼纳米粉(如氮化硼、二硼化钛)上沉积金刚石，获得金刚石包覆的硼或含硼纳米颗粒，再通过高温真空扩散退火处理，致使硼原子以置换的形式替换金刚石晶格中的C原子从而获得BDD。粉末尺寸由硼或含硼纳米粉的颗粒尺寸确定，金刚石包覆厚度由气相沉积时间确定，掺硼量由扩散退火温度和时间确定。因此，本方法具有简单、方便、安全、掺硼量可控等优点。本发明特别适用于作燃料电池阴极催化剂的BDD电极制备。

发明内容

本发明的目的是提供了一种利用HFCVD在硼源(单质硼、氮化硼、二硼化钛)上沉积金刚石薄膜，通过控制退火温度与时间，制备BDD粉末的工艺方法。目的是通过掺硼的方式，使金刚石具有金属特性，并有效得应用于各电化学领域范围内。

本发明的技术方案：

一种掺硼金刚石粉末的制备方法，步骤如下：

(1)依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗载体15min，烘干；

(2)将浓度为2.5-12.5mg/mL硼源的乙醇溶液超声振荡30min形成分散液，滴到载体上，烘干即得衬底；

(3)采用HFCVD法制备金刚石薄膜，在100％氢气环境下，对步骤(2)烘干后的衬底进行精细净化和活化处理，活化处理时间为20-40min；活化处理与金刚石薄膜沉积过程中，温度维持2000-2200℃，控制衬底温度为650-950℃，反应室内总压强20-70Torr；金刚石薄膜沉积时，甲烷浓度为0.5％-2％，沉积时间1-6h；

(4)将金刚石薄膜放入管式炉中，抽真空后通入保护气体，扩散退火处理，退火温度1100-1600℃，退火时间为3-6h。

所述的载体为硅片、不锈钢片、石墨片或钛片。

所述的硼源包括单质硼、氮化硼和二硼化钛。

在活化处理与金刚石薄膜沉积过程，灯丝材料选自钨、铼、钽和钼。

所述的保护气体选自氮气、氩气和氦气。

本发明的有益效果：将气相沉积与高温扩散结合起来，粉末尺寸由硼或含硼纳米粉的颗粒尺寸确定，金刚石包覆厚度由气相沉积时间确定，掺硼量由扩散退火温度和时间确定。此方法具有简单、方便、安全、掺硼量可控等优点。特别适用于作燃料电池阴极催化剂的BDD电极制备。

附图说明

图1是实施例1掺硼金刚石粉末的拉曼光谱图。

图2是实施例2掺硼金刚石粉末的拉曼光谱图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例1：

(1)依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗钛片载体15min，并吹干；

(2)将浓度为5mg/mL硼粉的乙醇溶液装入烧杯中，超声振荡30min形成分散液，滴在钛片上，烘干即得衬底；