[发明专利]硼掺杂的合成金刚石电极和材料

说明书

电极包含合成高压高温金刚石材料，所述金刚石材料包含在1×10²⁰和5×10²¹原子/cm³之间的置换硼浓度和不大于10¹⁹原子/cm³的氮浓度。电极具有在含有0.1M KNO₃和1mM的Ru(NH₃)₆³⁺的水溶液中关于饱和甘汞参比电极测量的从小于70mV、小于68mV、小于66mV、和小于64mV中的任何项选择的ΔE_3/4‑1/4和/或在含有0.1M KNO₃和1mM的Ru(NH₃)₆³⁺的水溶液中关于饱和甘汞参比电极测量的从小于70mV、小于68mV、小于66mV、和小于64mV中的任何项选择的峰与峰分离ΔE_p。

技术领域

本发明涉及硼掺杂的合成金刚石电极和材料的领域。

背景技术

导电金刚石作为电极材料的用途是公知的。这样的金刚石电极非常通用并具有宽范围的电化学应用，其包括无机(例如重金属和氰化物)和有机化合物(例如生物传感器应用)两者的选择性检测和测量、废水处理(例如减少硝酸盐)和生成臭氧。金刚石电极的宽适用性是由于它独特的性质：机械强度、化学惰性、低背景干扰(高信噪比)和宽电势窗口。

金刚石是宽带隙半导体，具有5.47eV的间接带隙，所有已知的金刚石掺杂剂是深的。然而，当金刚石中的硼浓度大于1×10²⁰原子cm^-3时，受主能级与价带重叠，因为金刚石经历Mott转变显示出类金属传导性，因为它们遵守欧姆定律。在该能级以下掺杂导致p-型半导体电极。氮施主的电子能级在带隙中太深从而不能产生可用的传导性。通常，硼掺杂的金刚石(BDD)电极通过化学气相沉积(CVD)BDD至合适的基材例如板或线上制成。例如EP0518532和US5635258教导了通过化学气相沉积方法(CVD)将硼掺杂的金刚石层沉积在基材上。US4042673教导了通过高压、高温(HPHT)溶剂/催化剂方法合成含硼金刚石。为了金刚石材料表现出类金属传导性，必须以足够高的密度置换掺杂硼；换句话说，硼必须代替金刚石晶体晶格中的碳原子而不是存在于间隙位置或存在作为夹杂物。

为了说明金刚石电极的可能用途，US5399247描述用于废水处理的金刚石电极的用途。WO01/98766教导金刚石电极在叶黄素类化合物的定量分析中的用途。WO01/25508公开用金刚石电极生产过氧焦硫酸(Peroxopyrosulfuric acid)，和US6106692教导使用金刚石电极定量分析多种目标物质的方法。

CVD金刚石电极的缺点包括CVD生产过程是能量密集、耗时的，并且因此所得的电极昂贵。CVD金刚石的沉积是平面的并产生具有相对低表面积的片电极材料。对于许多电化学应用而言，需要能够提供具有比CVD金刚石电极更大表面积的金刚石电极，而不显著牺牲电极的期望性质例如稳健性和不活泼性。WO03/066930描述由使用高压高温(HPHT)方法生产的硼掺杂的金刚石多晶体制造的多孔金刚石电极。然而，以这种方式制成的金刚石电极通常不显示类金属传导性，具有窄的溶剂窗口并因此对适当的氧化还原对表现出差的电化学可逆性。

发明内容