一种多孔掺硼金刚石电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种多孔掺硼金刚石电极，包括网状基体，设置于所述网状基体的一侧或两侧表面的掺硼金刚石薄膜层，以及生长于所述掺硼金刚石薄膜层表面的多根二氧化钛纳米管。该多孔掺硼金刚石电极具有较大的可见光接收面积，对光源的利用效率高；具有很小的自身内阻，降低了光电催化过程中电流的消耗；含有多个P‑N异质结，大大降低了自由电子和空穴之间再结合的可能性，具有极高的光电催化效率；具备高析氧电位和多个催化活性位点，具有很强的催化活性。本发明专利技术还提供了一种孔掺硼金刚石电极的制备方法和应用。

【技术实现步骤摘要】
一种多孔掺硼金刚石电极及其制备方法和应用
本专利技术涉及电催化材料
，具体涉及一种多孔掺硼金刚石电极及其制备方法和应用。
技术介绍
能源问题是人类正在面临的严峻问题之一，而能够充分利用自然光能量的光电催化材料在解决能源问题上有着重要意义，并一直被国内外学者作为研究的重点。目前，大多数光催化剂材料仅仅对紫外光有吸收，而紫外光能量在自然光中只接近占有4％，因此，开发出对可见光响应好的光催化剂材料具有重要意义。二氧化钛(TiO2)材料为典型的n型半导体，其禁带宽度约为3.2V，在光照条件下，价带的电子获得能量，向导带跃迁，导带会有自由电子产生，表现出半导体的电化学性能，因此其经常被作为电极材料应用于光催化过程中。然而在使用过程中发现TiO2量子效率极低，光催化作用很弱，主要是由于载荷在运动过程中的再结合引起的。即使在通电的情况下，用光照射TiO2电极表面，其催化效率也仅仅提高30-40％，虽然电场的存在，加速了载荷的迁移速率，但载荷运动过程中再结合的问题却没有得到实质性的解决。研究表明在TiO2作为光电催化材料使用过程中，高效的分离携带不同电荷的载流子是提高光电催化效率的有效途径之一。掺硼金刚石(BDD)是一种新颖的p型半导体材料，凭借其良好的导电性、电化学稳定性以及抗腐蚀等得到了广泛研究。然而BDD电极在实际应用过程中存在着电阳极氧化技术自身难以克服的催化效率低和能耗高的问题。因此，有必要提供一种可以充分利用自然光能量，具有高光电催化耦合协同效应，高效的光电催化效应，低电阻能耗的电极材料。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种多孔掺硼金刚石电极及其制备方法和应用，其能够充分利用自然光能量，具有高光电催化耦合协同效应，高效的光电催化效应，低电阻能耗的电极材料。第一方面，本专利技术提供了一种多孔掺硼金刚石电极，包括网状基体，设置于所述网状基体的一侧或两侧表面的掺硼金刚石薄膜层，以及生长于所述掺硼金刚石薄膜层表面的多根二氧化钛纳米管。可选的，所述二氧化钛纳米管垂直排布在所述掺硼金刚石薄膜层表面，所述二氧化钛纳米管的总面积占有率为60-80％。所述二氧化钛纳米管的总面积占有率为为60-80％，是指所述掺硼金刚石薄膜层一侧表面面积的60-80％被二氧化钛纳米管占据，或理解成所述二氧化钛纳米管在所述掺硼金刚石薄膜层表面的分布面积是所述掺硼金刚石薄膜层一侧表面面积的60-80％。其中，所述二氧化钛纳米管可以是随机垂直排布在所述掺硼金刚石薄膜层表面，也可以是阵列垂直排布在所述掺硼金刚石薄膜层表面。本专利技术所述多孔掺硼金刚石电极表面排布有TiO2纳米管，由于TiO2纳米管的结构具有很大的比表面积，因此，该多孔掺硼金刚石电极具有较大的可见光接收面积，提高了对可见光的吸收；而且当光照射至多孔掺硼金刚石电极表面的TiO2纳米管的管状结构内部时，光束散射效果增强，提高了多孔掺硼金刚石电极对光源的利用效率。可选的，所述二氧化钛纳米管的直径为300-600nm，长度为150-850nm。优选的，所述二氧化钛纳米管的直径为300-500nm。进一步的，更优选地，所述二氧化钛纳米管的直径为350-500nm。优选的，所述二氧化钛纳米管的长度为200-800nm。进一步的，更优选地，所述二氧化钛纳米管的长度为500-750nm。可选的，所述网状基体的网孔为5-15目。可选的，所述网状基体的材质包括钛、铌、钽和钨中的一种或多种。本专利技术所述多孔掺硼金刚石电极，由于采用了具有优良的导电特性的网状基体，相比于平面结构，本专利技术所述多孔掺硼金刚石电极尽可能的减少了自身内阻，降低了光电催化过程中电流的消耗；此外，多孔网状结构，在一定程度上也促进了传质过程。与现有相比于掺硼金刚石电极，本专利技术所述的多孔掺硼金刚石电极具有更宽的电势窗口、更高的析氧电位特性和更小的背景电流。其中，所述多孔掺硼金刚石电极可以两侧均依次设有所述掺硼金刚石薄膜层和所述二氧化钛纳米管；同时，两侧的所述掺硼金刚石薄膜层的厚度大小可以相同，也可以不同，两侧的所述二氧化钛纳米管在所述掺硼金刚石薄膜层的总面积占有率可以相同，也可以不同。可选的，所述掺硼金刚石薄膜层的厚度为1-4μm。本专利技术所述多孔掺硼金刚石电极是一种网状多孔的电极材料，该多孔掺硼金刚石电极表面排布的TiO2纳米管与其掺硼金刚石薄膜层具有较大的接触面积，并且以单个TiO2纳米管为基本单元，形成多个P-N异质结，大大降低了自由电子和空穴之间再结合的可能性，提高了电极的光电催化效率。本专利技术所述多孔掺硼金刚石电极的掺硼金刚石薄膜层表面虽然覆盖有多根TiO2纳米管，但由于是TiO2纳米管的管状结构，并没有完全将掺硼金刚石薄膜与外界隔绝，相反还保留了大部分的掺硼金刚石薄膜直接与外界接触，因此，本专利技术所述多孔掺硼金刚石电极的掺硼金刚石薄膜具有的高析氧电位特性和宽电化学势窗一直存在，同时TiO2纳米管的添加为电化学反应提供了更多的催化活性位点，因此，所述多孔掺硼金刚石电极可以同时进行光催化与电化学催化，具有高光电催化耦合协同效应，更具有很强的催化活性。本专利技术第一方面提供的多孔掺硼金刚石电极包括网状基体，以及在其表面的一侧或两侧依次设有的掺硼金刚石薄膜层和多根TiO2纳米管，所述多孔掺硼金刚石电极具有较大的可见光接收面积，对光源的利用效率高；具有很小的自身内阻，降低了光电催化过程中电流的消耗；含有多个P-N异质结，大大降低了自由电子和空穴之间再结合的可能性，具有极高的光电催化效率；具备高析氧电位特性和多个催化活性位点，具有更强的催化活性。第二方面，本专利技术还提供了一种多孔掺硼金刚石电极的制备方法，其特征在于，包括：(1)提供网状基体，对所述网状基体表面进行预处理；(2)在所述预处理后的网状基体的一侧或两侧表面沉积掺硼金刚石薄膜层，得到表面具有掺硼金刚石薄膜层的网状基体；(3)将表面具有掺硼金刚石薄膜层的网状基体进行强氧化处理后置于含有钛酸四丁脂和盐酸的混合溶液中，于100-150℃反应16-20小时后，再进行酸浸，所述掺硼金刚石薄膜层表面生长二氧化钛纳米管，得到多孔掺硼金刚石电极。可选的，所述步骤(1)中，所述预处理的具体过程包括：对所述网状基体依次进行喷砂处理、超声处理、酸处理和植晶处理，所述酸处理的酸溶液包括体积比为1：(5-15)：(5-15)的硫酸、双氧水和去离子水。可选的，所述喷砂处理中采用碳化硅(SiC)颗粒的砂粒。可选的，所述超声处理的具体过程包括：将所述喷砂处理后的网状基体依次置于去离子水和盐酸溶液中超声，超声时间为10-60分钟，所述盐酸溶液的浓度为(0.3-0.7)mol/L。可选的，所述酸处理的时间为3-5分钟；所述植晶处理的具体过程包括：将所述酸处理后的网状基体经水洗后置于纳米金刚石粉悬浮液中超声处理0.5-1.5小时，然后干燥处理，所述金刚石粉悬浮液的平均粒径为3-8nm，Zeta电位为±(40-55)mV。可选的，所述步骤(2)中，在所述预处理后的网状基体的一侧表面沉积掺硼金刚石薄膜层的过程包括：将所述预处理后的网状基体置于热丝化学气相沉积系统中，抽真空至0.1Pa后，通入混合气体，调节通电功率为6500-9000W，沉积时间为4-8h，所述混合气体包括氢气(H2)、甲烷(CH4)和三甲基硼烷(TMB)，调节本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔掺硼金刚石电极，其特征在于，包括网状基体，设置于所述网状基体的一侧或两侧表面的掺硼金刚石薄膜层，以及生长于所述掺硼金刚石薄膜层表面的多根二氧化钛纳米管。

【技术特征摘要】
1.一种多孔掺硼金刚石电极，其特征在于，包括网状基体，设置于所述网状基体的一侧或两侧表面的掺硼金刚石薄膜层，以及生长于所述掺硼金刚石薄膜层表面的多根二氧化钛纳米管。2.如权利要求1所述的多孔掺硼金刚石电极，其特征在于，所述二氧化钛纳米管垂直排布在所述掺硼金刚石薄膜层表面，所述二氧化钛纳米管的总面积占有率为60-80％。3.如权利要求1所述的多孔掺硼金刚石电极，其特征在于，所述二氧化钛纳米管的直径为300-600nm，长度为150-850nm。4.如权利要求1所述的多孔掺硼金刚石电极，其特征在于，所述网状基体的网孔为5-15目。5.如权利要求1所述的多孔掺硼金刚石电极，其特征在于，所述网状基体的材质包括钛、铌、钽和钨中的一种或多种。6.如权利要求1所述的多孔掺硼金刚石电极，其特征在于，所述掺硼金刚石薄膜层的厚度为1-4μm。7.一种多孔掺硼金刚石电极的制备方法，其特征在于，包括：(1)提供网状基体，对所述网状基...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐永炳，谷继腾，杨扬，李子豪，张文军，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44