一种掺杂金刚石-氧化钌耦合电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种掺杂金刚石

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂金刚石
‑
氧化钌耦合电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术公开了一种掺杂金刚石
‑
氧化钌耦合电极及其制备方法和应用，属于电极制备


技术介绍

[0002]掺杂金刚石具有极宽的电化学窗口、极高的析氧电位、极低的背景电流、极好的化学稳定性、表面惰性及弱吸附性，是环境电化学领域的研究热点。在生态环境领域，常被用来处理具有高浓度、高盐度、高氨氮、强酸碱度等特点的难生化降解有机废水，被称为“理想的阳极材料”。
[0003]电催化氧化被称为“环境友好”技术，是利用电子作为催化剂，在常温常压下能有效处理含有机污染物废水。随着电催化氧化正在不断的工业化，使得电催化氧化技术应用于大规模的现场应用正在成为可能。电催化氧化中最为关键的就是阳极材料的选择。二氧化钌具有较好的电催化氧化特性，对有机废水的处理具有较好的氧化降解作用。
[0004]然而，虽然掺杂金刚石电极具有极高的析氧电位，但相比金属或氧化物薄膜，其导电性较差，在使用过程中存在效率低且能耗偏高等问题；另外现有工艺技术下，以泡沫、颗粒为基体的掺杂金刚石电极在制备过程中容易出现覆盖不均匀甚至脱落的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种膜层覆盖均匀，具有优异导电性能，电催化降解性能的掺杂金刚石
‑
氧化钌耦合电极及其制备方法和应用。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术一种掺杂金刚石
‑
氧化钌耦合电极，所述掺杂金刚石
‑
氧化钌耦合电极包括基底以及设置于基底表面的电极工作层，所述电极工作层为双层膜结构，从下至上，依次为氧化钌膜层，掺杂金刚石膜层，所述氧化钌膜层由氧化钌基体，以及均匀分散于氧化钌基体中的掺杂金刚石颗粒组成。
[0008]专利技术人意外的发现，氧化钌膜层具有优异的导电性性能，然后由于其析氧电位偏低，无法氧化电位高的难降解有机物，然而当在其表面设置掺杂金刚石膜层，却可以与掺杂金刚石膜层形成PN结从而加强在恒定电场中的电子分离从而提高电流效率，从而获得最有优异催化性能的耦合电极。
[0009]另外在氧化钌膜层中引入掺杂金刚石颗粒，一方面，可以改善双层膜之间热膨胀系数不匹配的问题，另外一方面易与掺杂金刚石膜层形成O
‑
C键，通过上述两方面的作用使得双层膜不仅具有优异的结合性能，并进一步提升导电性，此外，又可以作为后续CVD制备掺杂金刚石膜层的晶核，提升双层膜之间的结合力。
[0010]优选的方案，所述基底选自金属镍、铌、钽、锆、铜、钛、钴、钨、钼、铬、铁中的一种或其合金中的一种；或基底选自陶瓷Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN、B4C、AlN、TiB2、TiN、WC、Cr7C3、Ti2GeC、Ti2AlC和Ti2AlN、Ti3SiC2、Ti3GeC2、Ti3AlC2、Ti4AlC3、BaPO3中的一种或其中的掺杂陶
瓷；或基底选自上述金属和陶瓷组成的复合材料中的一种，或基底选自金刚石或Si；优选为陶瓷。
[0011]所述基底形状包括粉末状、颗粒状、圆柱状、圆筒状、平板状中的至少一种；
[0012]所述基底结构选自三维连续网络结构、二维连续网状结构和二维封闭平板结构中的至少一种。
[0013]在本专利技术中，由于在基底先设置氧化钌膜层，由于氧化钌膜层为陶瓷相，因此可能避免掺杂金刚石膜层与陶瓷基底结合力不足的问题。
[0014]优选的方案，所述氧化钌膜层的厚度为10
‑
120μm，优选为80～100μm，掺杂金刚石膜层的厚度为5～20μm；掺杂金刚石颗粒的粒径为0.1
‑
20μm，优选为15
‑
20μm。
[0015]专利技术人发现，将氧化钌膜层与掺杂金刚石膜层的厚度控制在上述范围内，更易形成O
‑
C键，并形成中间体，提高双膜的结合力，并在上述厚度的协同下，最终耦合电极的导电性能最优。
[0016]优选的方案，所述掺杂金刚石颗粒在氧化钌膜层中的体积分数为0.1％
‑
50％，优选为10
‑
30％。
[0017]优选的方案，所述氧化钌膜层中，钌与氧的摩尔比为1：2
‑
8。
[0018]优选的方案，所述氧化钌膜基体中含有碳元素掺杂，碳元素在氧化钌膜基体中的质量分数为1％
‑
20％，优选为3
‑
8％。
[0019]专利技术人发现，对氧化钌膜层进行碳掺杂，可使氧化物涂层与掺杂金刚石膜层之间形成碳桥或碳化物中间产物，进一步的提高膜层之间的结合力。
[0020]优选的方案，所述掺杂金刚石膜层中的掺杂元素选自硼、氮、磷、锂中至少一种，优选为硼；掺杂方式包含恒定掺杂、多层变化掺杂、梯度掺杂的一种或多种组合。
[0021]优选的方案，所述掺杂金刚石膜层中的掺杂元素的质量分数为2
‰‑
10
‰
。
[0022]专利技术人发现，掺杂元素可以与氧化物涂层中的金属元素反应生成中间产物，从而进一步提高双层膜之间的结合力。
[0023]优选的方案，所述掺杂金刚石膜层在氧化钌膜层表面形成全包覆、半包覆型、选择性包覆型，优选为全包覆。
[0024]优选的方案，所述掺杂金刚石颗粒中的掺杂元素选自硼、氮、磷、锂中至少一种，优选为硼；掺杂方式包含恒定掺杂、多层变化掺杂、梯度掺杂的一种或多种组合。
[0025]优选的方案，所述掺杂金刚石颗粒中的掺杂元素的质量分数为2
‰‑
10
‰
。
[0026]本专利技术一种掺杂金刚石
‑
氧化钌耦合电极的制备方法，先于基底表面通过电沉积法或复合热分解法制备氧化钌膜层，再通过化学气相沉积制备掺杂金刚石膜层即得双层膜耦合电极。
[0027]优选的方案，所述电沉积法制备氧化钌膜层的过程为：以金属为阳极，基底作为阴极置于电解液中进行电沉积，然后进行热处理即得，所述电解液包含如下成份：三氯化钌1～10g/L，氯化钾3～10g/L，盐酸1～5g/L，掺杂金刚石颗粒0.1～50g/L；所述电沉积的参数为：电流密度为200
‑
1000A/m2，电解液的温度为35～60℃，电沉积的时间为10～120min；所述热处理的温度为100℃～300℃，热处理的时间为1～5h，升温速率为5℃～10℃/min，真空度为1
‑
100pa，氩气气氛流量为20
‑
50sccm。
[0028]进一步的优选，所述电解液中还含有碳酸盐，所述碳酸盐在电解液中的质量分数
为1％
‑
20％，所述碳酸盐选自碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠中的一种或多种。
[0029]优选的方案，所述复合热分解法制备氧化钌活性膜层的过程为：将50
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种掺杂金刚石
‑
氧化钌耦合电极，其特征在于：所述掺杂金刚石
‑
氧化钌耦合电极包括基底以及设置于基底表面的电极工作层，所述电极工作层为双层膜结构，从下至上，依次为氧化钌膜层，掺杂金刚石膜层，所述氧化钌膜层由氧化钌基体，以及均匀分散于氧化钌基体中的掺杂金刚石颗粒组成。2.根据权利要求1所述的一种掺杂金刚石
‑
氧化钌耦合电极，其特征在于：所述基底选自金属镍、铌、钽、锆、铜、钛、钴、钨、钼、铬、铁中的一种或其合金中的一种；或基底选自陶瓷Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN、B4C、AlN、TiB2、TiN、WC、Cr7C3、Ti2GeC、Ti2AlC和Ti2AlN、Ti3SiC2、Ti3GeC2、Ti3AlC2、Ti4AlC3、BaPO3中的一种或其中的掺杂陶瓷；或基底选自上述金属和陶瓷组成的复合材料中的一种，或基底选自金刚石或Si；所述基底形状选自粉末状、颗粒状、圆柱状、圆筒状、平板状中的至少一种；所述基底结构选自三维连续网络结构、二维连续网状结构和二维封闭平板结构中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的一种掺杂金刚石
‑
氧化钌耦合电极，其特征在于：所述氧化钌膜层的厚度为10
‑
120μm，掺杂金刚石膜层的厚度为5
‑
20μm；掺杂金刚石颗粒的粒径为0.1μm
‑
20μm；所述掺杂金刚石颗粒在氧化钌膜层中的体积分数为0.1％
‑
50％。4.根据权利要求1或2所述的一种掺杂金刚石
‑
氧化钌耦合电极，其特征在于：所述氧化钌膜层中，钌与氧的摩尔比为1：2
‑
8；所述氧化钌膜基体中含有碳元素掺杂，碳元素在氧化钌膜基体中的质量分数为1％
‑
20％。5.根据权利要求1或2所述的一种掺杂金刚石
‑
氧化钌耦合电极，其特征在于：所述掺杂金刚石膜层中的掺杂元素选自硼、氮、磷、锂中至少一种，掺杂方式包含恒定掺杂、多层变化掺杂、梯度掺杂的一种或多种组合；所述掺杂金刚石膜层中的掺杂元素的质量分数为2
‰‑
10
‰
；所述掺杂金刚石膜层在氧化钌膜层表面形成全包覆、半包覆型、选择性包覆型；所述掺杂金刚石颗粒中的掺杂元素选自硼、氮、磷、锂中至少一种，掺杂方式包含恒定掺杂、多层变化掺杂、梯度掺杂的一种或多种组合；所述掺杂金刚石颗粒中的掺杂元素的质量分数为2
‰‑
10
‰
。6.根据权利要求1
‑
5任意一项所述的一种掺杂金刚石
‑
氧化钌耦合电极的制备方法，其特征在于：先于基底表面通过电沉积法或复合热分解法制备氧化钌膜层，再通过化学气相沉积制备掺杂金刚石膜层即得双层膜耦合电极。7.根据权利要求6所述的一种掺杂金刚石
...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍水平，魏秋平，王剑，谭际麟，黄开塘，罗浩，王宝峰，蔡群欢，陈大伟，张维，
申请(专利权)人：湖南新锋科技有限公司，
类型：发明
国别省市：