钛基硼掺杂金刚石薄膜电极制备与研究

论文摘要

硼掺杂金刚石（BDD）具有电势窗口宽广（3V左右）、析氧电位高、背景电流低、抗腐蚀性高、化学稳定性高等特点,是适用于电化学和电化学工程领域的极佳电极材料。BDD薄膜电极的潜在应用领域之一是污水处理,相关研究日益广泛。近年来,关于钛基BDD薄膜电极的研究报道日益增多。一般情况下,BDD沉积在硅基底上,然而金属材料基底电阻率低且可镀膜表面积较大,因此更适合电化学领域的应用要求。钛金属具有电导率高、耐腐蚀性强、机械加工性能优异、成本低等特性,是BDD薄膜电极的理想基底材料。尤其当用于工作环境恶劣的电化学反应过程时,例如:工业废水治理过程,钛基BDD薄膜电极的优势十分突出。然而,钛基BDD薄膜电极发展存在两方面的瓶颈:薄膜与基底的附着力和电极寿命。一方面,由于钛与金刚石热膨胀系数(金刚石: 0.84×10-6℃-1,Ti: 8.50×10-6℃-1,TiC: 7.42×10-6℃-1)差异较大,薄膜制备完成后的降温过程使薄膜生成残余热应力,直接影响薄膜附着力;另一方面,由于钛为强碳化物形成材料,因此采用CVD法在钛基底上沉积金刚石时,在金刚石薄膜与钛基体间首先形成的是TiC层。金刚石在此基础上形核生长,TiC层有助于增强基体与薄膜间的电传导,一定程度上缓解薄膜与基体间的热应力。但由于TiC层粗糙且存在气孔,使其在电解氧化过程中变得不稳定,易导致薄膜分裂和剥离,缩短电极寿命,极大限制了钛基金刚石薄膜电极的产业化。本实验中,利用实验室自制的微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）装置在钛基底上制备了掺硼金刚石薄膜。利用多种检测技术,如扫描电子显微镜,拉曼光谱,X射线衍射技术对薄膜的表面形貌、残余应力、择优取向及TiC含量等进行了分析研究。结果表明,最优预处理方式是首先对钛基底进行逐级砂纸研磨,砂纸型号分别为600#,800#,100#和1200#,每种研磨10分钟,然后利用金刚石研磨膏进行抛光,抛光机转速为200转/分钟。同时,优化后的薄膜沉积基底温度为:700750℃。研究了硼源浓度对BDD薄膜生长的影响。结果表明,硼源浓度升高对金刚石薄膜（111）织构生长有促进作用;随着掺硼浓度的增加,TiC含量和晶粒尺寸皆减小,同时薄膜的张应力增大,能够缓解薄膜自身在制备过程中形成的压应力,从而更大程度上提高薄膜附着力。通过循环伏安技术对BDD薄膜进行电化学特性分析,表明BDD薄膜具有低背景电流,较宽的电势窗口,良好的稳定性,是一种理想的电极材料。利用所制备的钛基BDD薄膜电极处理含有2,4-二氯苯酚的废水,结果显示COD去除率几乎为100%,证明钛基BDD薄膜电极适用于污水处理领域。同时,制备了钽过渡层钛基BDD薄膜电极,结果表明,Ti/Ta/BDD薄膜电极电化学势窗约为3.1V,且背景电流极小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 掺硼金刚石简介
• 1.1.1 金刚石的结构与特性
• 1.1.2 掺硼金刚石结构与特性
• 1.1.3 BDD 电极的特性
• 1.2 BDD 电极用于水处理领域研究进展
• 1.2.1 电催化氧化法处理污水的研究现状
• 1.2.2 BDD 电极应用于污水处理的研究现状
• 1.2.3 机理研究
• 1.3 本课题研究的意义
• 第二章 BDD 电极的制备与表征方法
• 2.1 引言
• 2.2 金刚石薄膜制备方法
• 2.3 金刚石掺杂源类型与掺杂方法
• 2.4 衬底的选择
• 2.5 BDD 薄膜表征方法及电化学性能测试方法
• 第三章 利用MPCVD 法制备钛基BDD 薄膜
• 3.1 引言
• 3.2 实验装置与方法
• 3.3 不同预处理方法对BDD 薄膜的影响
• 3.3.1 实验方法
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.3.3 小结
• 3.4 温度对BDD 薄膜的影响
• 3.4.1 实验方法
• 3.4.2 结果与讨论
• 3.4.3 小结
• 3.5 硼源浓度对BDD 薄膜的影响
• 3.5.1 实验方法
• 3.5.2 结果与讨论
• 3.5.3 小结
• 3.6 本章小结
• 第四章 钛基BDD 薄膜电极电化学特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 BDD 薄膜电极降解2,4-二氯苯酚的研究
• 4.2.1 实验方法
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.2.3 小结
• 4.3 钽过渡层钛基BDD 薄膜电极制备与研究
• 4.3.1 实验方法
• 4.3.2 结果与讨论
• 4.3.3 小结
• 4.4 本章小结
• 第五章 本文总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 本论文的后续研究工作及展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间已发表的论文
• 致谢