[發明專利]一種BDD膜電極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201810386838.7
• 申請日: 2018-04-26
• 公開（公告）號: CN108486546B
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 徐帥;閆寧;范波;吳嘯;郭興星;吳曉磊
• 申請（專利權）人: 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C23C16/32;C23C16/511;C23C16/02;C23C14/35;C23C14/16;C23C14/58;C23C28/00;C02F1/461
• 代理公司: 鄭州聯科專利事務所(普通合伙) 41104
• 代理人: 時立新;張麗

本發明提供了一種BDD膜電極材料及其制備方法，屬于金剛石膜電極材料領域，以鉬、鎢或導電硅為基材，基材進行粗化處理使基材表面獲得Ra0.5?1μm的粗糙度，在基材表面沉積過渡層，然后，在所述過渡層表面形成碳化物后進行金剛石的形核和生長，且在金剛石成核期加入含硼物得到含硼的金剛石層，其中，所述過渡層為能夠形成共價鍵碳化物的過渡族金屬，所述過渡層與基材形成合金或化合物。本發明得到致密的金剛石層結構，消除了電解產生的離子對基材的損害，有利于獲得金剛石膜電極材料長的使用壽命。本發明可實現基材與金剛石層的緊密結合，消除了熱膨脹系數差異產生的熱應力導致的金剛石層的剝落。

技術領域

本發明屬于金剛石膜電極材料領域，特別涉及一種BDD膜電極材料及其制備方法。

背景技術

通過電解可氧化廢水中的有害污染物，從而將污染物的量降低至排放可接受的水質要求，適用于生物制藥、紡織、垃圾處理、石油化工、工業氣體等產生的廢水。與化學處理相比，對廢水進行電解的主要優勢在于難降解污染物的降解效率增加。

已知的氧化鉛、氧化鎢、鉑等金屬和金屬氧化物是用于電解的陽極電極材料，但由于電解過程發生在惡劣的化學環境下，用于電極的上述材料在使用過程中存在如下缺點：

（1）電解過程中，電極中的重金屬物質被分解并進入廢水中，帶來二次污染問題；

（2）惡劣的化學環境下，電極被逐漸腐蝕掉，電極的有效壽命縮短；

（3）消耗了例如電極中的鉑等不可再生的貴金屬資源，使得處理成本增加；

（4）多數電極材料在使用過程中具有較差的能量效率。

金剛石因具有優異的化學穩定性，寬的電化學勢窗等特點，是用作污水處理陽極電極的理想材料，已知通過摻雜微量的硼賦予金剛石導電性后，可用于替代上述電極材料并不引起上述問題的出現。化學氣相沉積（CVD）如熱絲CVD和微波等離子體CVD等方法可用于制造上述硼摻雜金剛石（BDD，即Boron-doped Diamond）膜電極材料，制造技術的關鍵在于：

（1）金剛石層為形成在基材表面的致密的多晶結構金剛石，以消除電解產生的離子造成對基材的損害；

（2）金剛石層與基材之間緊密結合，以消除因熱膨脹系數差異產生的熱應力導致的金剛石層的剝落；

（3）構成金剛石層的金剛石晶體有高的結晶度，以消除由結晶性差引起的電性能的下降。

BDD膜電極的常規制造方案通常采用由導電硅、鈦、鈮等構成的基材，并直接在基材表面沉積金剛石層。鈦和鈮基材與金剛石層之間形成共價鍵碳化物的能力強，可實現基材與金剛石層之間牢固的化學結合，但鈦和鈮的熱膨脹系數與金剛石顯著不同，因而，制造所述電極時因鈦和鈮基材與金剛石層之間熱膨脹系數的差異而導致巨大殘余應力，殘余應力足以破壞所述電極的基材與金剛石層之間的碳化物，并導致基材與金剛石層的彼此分離，從而不利的縮短所述電極的壽命。導電硅基材與金剛石之間熱膨脹系數的差異是相對小的，所述電極的導電硅基材與金剛石層之間存在較小的殘余應力，但制造所述電極時導電硅基材與金剛石層之間形成共價鍵碳化物的能力弱，殘余應力足以破壞導電硅基材與金剛石層之間的結合，并導致所述分離問題。

目前工業上沒有廣泛應用BDD膜電極，主要技術原因在于制造BDD膜電極存在的上述問題沒有得到有效解決。因此，急需一種新的BDD膜電極制備技術來解決上述問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種BDD膜電極材料及其制備方法，所述BDD膜電極材料的金剛石層具有致密的結構和與基材的緊密結合，構成金剛石層的金剛石晶體具有高的結晶度。

基于上述目的，本發明采取如下技術方案：