[发明专利]一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极及其制备方法与应用，所述的硼掺杂金刚石电极包括衬底、电极工作层；所述电极工作层包裹在衬底表面，所述衬底为高比表面积多晶硅或单晶硅；所述电极工作层为硼掺杂金刚石层；所述高比表面积多晶硅是对多晶硅表面进行各向异性刻蚀或/和各向同性刻蚀得到；所述高比表面积单晶硅是对单晶硅表面进行各向异性刻蚀得到。所述硼掺杂金刚石层包括不同含硼量的硼掺杂金刚石高导电层、硼掺杂金刚石耐腐蚀层、硼掺杂金刚石强电催化活性层，相对于传统的平板电极来说，本发明的硅基硼掺杂金刚石电极具有成本低、具有极高的比表面积，用较低的电流密度提供较大的电流强度，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明公开了一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极及其制备方法和应用，属于表面刻蚀改性与气相沉积技术领域。

背景技术

硼掺杂金刚石薄膜电极(BDD)具有很高的机械强度，化学惰性和优异的电化学性能，如在水溶液中具有很宽的电位窗口、较高的析氧过电位和较低的背景电流，在相同的电流密度下能高效率地产生羟基自由基，从而使有机物能快速被去除，表面具有抗中毒抗污染能力，可以在强腐蚀介质中长期稳定的工作。即使在高电化学负荷，经过电流密度在2～10A cm²上千小时的电化学反应，也没有明显被侵蚀的迹象。金刚石薄膜具有硬度和强度方面的高优质性能，可以耐受超声空化效应对电极表面的强波冲击，在高强度环境中显示了较长的使用寿命。随着化学气相沉积CVD人工合成多晶金刚石薄膜涂层技术以及硼掺杂P型半导体研究的不断发展，使得CVD金刚石薄膜的电阻率降为0.01～100cm，是一种导电良好的电极材料。研究表明该电极在电氧化削减有机污染物方面和高灵敏度有机物的分析和探测方面将显示广阔的应用前景。

然而，BDD电极降解有机废水技术仍未被市场广泛接受，其根本原因在于(一)现有BDD的衬底多为单晶硅，单晶硅难以大体积制造，随着单晶硅体积增大，制造成本急剧升高，使得现有BDD电极成本高，性价比低，难以完全满足市场对经济高效的要求；(二)现有的BDD平面电极面积小、表面粗糙度低，比表面积不高，使得电极具有活性面积小、强氧化性基团-羟基自由基的时空产率低、传质速率慢等缺点，制约了BDD电极的电催化性能；(三)相比单晶硅，金属Ti衬底与BDD电极的热膨胀匹配较差，易脱落，使得大面积电极制备困难。

相比单晶硅，多晶硅衬底价格低廉，较易实现大面积工业化规模制造，但多晶硅衬底导电性较差，使得BDD电极电流效率低、降解能耗偏高。因此，多晶硅应用于BDD电极，存在诸多不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种工艺简单，成本低廉，适合大面积制备的超高比表面积硼掺杂金刚石电极及制备方法和应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，所述的硼掺杂金刚石电极包括衬底、电极工作层；所述电极工作层包裹在衬底表面，所述衬底为高比表面积多晶硅或单晶硅；所述电极工作层为硼掺杂金刚石层；所述高比表面积多晶硅是对多晶硅表面进行各向异性刻蚀或/和各向同性刻蚀得到；所述高比表面积单晶硅是对单晶硅表面进行各向异性刻蚀得到。

在本发明中，通过对多晶硅衬底进行表面刻蚀，获得高比表面积的电极，大幅度提高电极表面粗糙度。

其中，对多晶硅表面进行各向异性刻蚀后，多晶硅表面宏观形貌为阶梯状、沟壑状、点状、柱状中的一种；对单晶硅表面进行各向异性刻蚀后，单晶硅表面为阶梯状、沟壑状、点状中的一种。对多晶硅表面进行各向同性刻蚀后，多晶硅表面含有凹坑和/或微孔刻蚀痕；对多晶硅表面进行各向异性刻蚀和各向同性刻蚀后，在多晶硅表面形成由各向异性刻蚀构成的多晶硅表面宏观形貌上同时含有大量微孔的双级高比表面结构。

本发明一种超高比表面积硼掺杂金刚石电极，优选的，所述衬底为高比表面积多晶硅。多晶硅相对于单晶硅来说具有巨大的成本优势，通过本发明刻蚀处理的多晶硅比表面积大幅提高。