掺硼金刚石薄膜电极及其在环境中的应用

掺硼金刚石薄膜电极(BDD)电极具有良好的导电性、极宽的电化学窗口、非常低的背景电流、极高的物理和化学稳定性及抗腐蚀性能等特性引起了人们极大地关注。本文综述了BDD的制备、理化性质及其在环境中的几个重要应用。     

掺硼浓度对金刚石薄膜电极电化学性能影响的研究

以不同掺硼浓度的金刚石薄膜作为电极材料,采用循环伏安法和交流阻抗法研究了电极的电化学性能,着重分析了掺硼浓度对金刚石电极电化学性能的影响.结果表明,随着掺硼浓度的增加,电极的电势窗口略微变小,背景电流也随之变大.在铁氰化钾电解液中,未掺杂金刚石薄膜的电极表面进行的不是可逆反应,而硼掺杂金刚石膜电极表面在反应过程中有着良好的活性和准可逆性;并且随着掺硼浓度的增加,其动力学过程主要受扩散过程控制.金刚石膜电极对苯酚模拟有机污染物的循环伏安实验表明,所考察的三个硼浓度不断增加的电极的氧化峰电流密度分别为0.8,1.9和5.1 mA(cm(2,说明在本实验范围内,金刚石膜电极对苯酚催化氧化作用随着掺硼浓度的增加而增强.     

BDD电极差分脉冲伏安法检测Cr(Ⅵ)离子

以氢气和甲烷为生长源,硼烷作掺杂源,采用微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)制备掺硼金刚石(BDD)薄膜电极,通过扫描电镜、拉曼光谱对其表面形貌、组成及结晶质量进行分析。将BDD电极作为工作电极,通过差分脉冲阳极溶出伏安法检测溶液中痕量Cr(Ⅵ)浓度。结果表明,BDD电极膜材中金刚石晶粒间密实均匀。而电极差分脉冲吸附溶出伏安法检测Cr(Ⅵ)信号在0.19×10-3~3.85×10-3mol/L范围内呈线性关系,电极检测限达到0.27×10-6mol/L。加入干扰离子后检测效果依然良好。最后,通过实验表明电极在pH=2时检测Cr(Ⅵ)效果较好。     

新型多孔Ti/BDD薄膜电极电化学氧化降解低浓度茜素红

运用热丝化学气相沉积（HFCVD）的方法制备了以多孔钛为基体的掺杂硼金刚石（porous Ti/BDD）薄膜电极,并测试了它的主要物理性质,SEM表明金刚石相生长良好并且能均匀地分布在基体表面和孔内,Raman光谱表明电极的金刚石相纯而且质量很高。采用循环伏安法研究了酸性条件下茜素红在多孔Ti/BDD电极上的电氧化行为。通过改变阳极电流密度、支持电解质Na2SO4的浓度来研究茜素红在多孔Ti/BDD电极上的电化学氧化降解的效果影响。结果表明：电流密度40 mA/cm2、支持电解质浓度0.5 mol/L为较理想的工艺参数,总电流效率达到30.2%。在相同条件下,发现多孔Ti/BDD薄膜电极氧化降解茜素红与平板Ti/BDD薄膜电极相比具有更高的电流效率。紫外可见光光谱证实了多孔Ti/BDD电极能够有效地电氧化降解茜素红。     

TiO_2修饰BDD复合电极材料的制备及性能

采用水热法在掺硼金刚石(Boron-doped diamond,BDD)薄膜衬底上修饰纳米棒状TiO_2,制备出具有p–n异质结结构的复合层状薄膜材料,通过环氧树脂封装制备成电极。利用扫描电子显微镜、X射线衍射分别对其形貌和物相进行表征,并在不同条件下对活性艳红X-3B模拟染料废水进行了降解。结果表明:TiO_2纳米棒团聚而成的纳米束排列均匀、致密,与BDD薄膜结合紧密,TiO_2为金红石相。由于二者光电协同效应,与TiO_2单独光催化、BDD电极单独电化学氧化比较,采用该复合电极对活性艳红X-3B模拟染料废水的降解效率得到进一步提升。     

硼掺杂金刚石电极在废水处理中的应用进展

硼掺杂金刚石(BDD)电极因其具有很宽的电化学势窗,较高的化学稳定性,近年来被广泛应用于电化学氧化废水处理中,并已取得优异的降解效果。本文针对BDD电极的制备方法、BDD电极在废水处理中的应用以及BDD电极电化学氧化有机物的机理展开论述与总结,为其工业化应用提供思路。     

有机废水电化学氧化阳极材料的研究进展

阳极材料是电化学氧化法处理有机废水的关键.综述了贵金属电极、碳素电极、钛基金属氧化物电极和合成掺硼金刚石(BDD)薄层电极在内的常用阳极材料的性能,并对有机废水电化学氧化阳极材料的发展趋向进行了展望.     

Ti/BDD涂层电极的制备及其电化学性能研究

本文在热丝化学气相沉积(HFCVD)系统上,采用不同的工艺参数进行了钛衬底掺硼金刚石(Ti/BDD)涂层电极的制备试验,研究了衬底温度和碳源浓度对Ti/BDD涂层电极质量的影响,优化了制备Ti/BDD涂层电极的工艺条件.结果表明,沉积Ti/BDD涂层电极最合适的衬底温度为770 ℃,最适宜的C/H为2.0%.采用循环伏安法研究了用优化的工艺参数制备的Ti/BDD涂层电极的电化学性能,结果表明Ti/BDD涂层电势窗口宽、析氧电位高、背景电流小,是一种有广阔应用前景的电极材料.     

青霉素在硼掺杂金刚石薄膜电极上的电化学行为研究

采用直流等离子体化学气相沉积法制备了硼掺杂金刚石(BDD)薄膜电极。利用循环伏安法(CV)和电化学交流阻抗谱(EIS)研究青霉素在BDD电极上的电化学过程,并利用等效电路对相关的电极动力学参数进行了拟合。研究表明,青霉素G钠在电极上的电化学氧化过程为不可逆过程,氧化峰电位为2.2 V,没有还原峰出现,电极表面有中间产物的吸附,但在高于水分解电压下氧化能够恢复原来的活性。当电极电位在开路电位(OCP)至1.5 V时,电极过程由电荷传递过程和传质扩散过程共同控制,即电化学极化与浓差极化同时存在;当电极电位在1.8～2.5 V时,电极过程由电荷传递过程控制。     

青霉素在硼掺杂金刚石薄膜电极上的电化学行为研究

采用直流等离子体化学气相沉积法制备了硼掺杂金刚石(BDD)薄膜电极。利用循环伏安法(CV)和电化学交流阻抗谱(EIS)研究青霉素在BDD电极上的电化学过程,并利用等效电路对相关的电极动力学参数进行了拟合。研究表明,青霉素G钠在电极上的电化学氧化过程为不可逆过程,氧化峰电位为2.2 V,没有还原峰出现,电极表面有中间产物的吸附,但在高于水分解电压下氧化能够恢复原来的活性。当电极电位在开路电位(OCP)至1.5 V时,电极过程由电荷传递过程和传质扩散过程共同控制,即电化学极化与浓差极化同时存在;当电极电位在1.8～2.5 V时,电极过程由电荷传递过程控制。     

不同基底BDD电极对模拟染料废水的降解脱色试验

在Si、Ta、SiC、Ti四种不同的基底上通过热丝化学气相沉积法分别生长了掺硼金刚石（BDD）薄膜。试验对BDD膜层的微观形貌、电极的电化学性能进行了研究。四种基底的BDD电极均具有较宽的电位窗口;Ta—BDD和SiC—BDD晶体形貌完整;Ta—BDD和Ti—BDD具有较好的膜基附着力,具有较长的寿命。试验表明,使用12h后,Ta—BDD与Ti—BDD仍具有良好的电解性能,微观形貌完整,而Si—BDD和SiC—BDD分别使用4h和6h后,膜层便开始脱落。试验测定了Ta—BDD电极对活性艳红X-3B模拟染料废水的降解脱色效果,考察了不同条件（槽电压、电解质浓度、电解质种类及pH）对脱色效果的影响。结果表明：在酸性介质中,当硫酸钠浓度为2．5s／L时,经过120min电解,模拟废水中的染料可脱除至1％以下。NaCl作为支持电解质时,相比于Na2SO4对废水色度的脱除具有更强的作用。     

苯酚在硼掺杂金刚石薄膜电极上的电化学行为研究

对苯酚在硼掺杂金刚石(Boron-doped diamond,BDD)薄膜电极上的电化学行为进行了研究,采用三电极体系以BDD电极为工作电极,利用循环伏安法研究了苯酚在电极上的电化学氧化过程。研究发现,苯酚在电极上的氧化反应为完全不可逆的电氧化反应,受扩散控制,多次循环伏安扫描后苯酚在电极表面易发生聚合形成聚合物薄膜,导致氧化峰电流下降,但在高于水的分解电压条件下电解,该聚合物薄膜可以被氧化分解,电极恢复活性。     

硼掺杂金刚石薄膜电极上水杨酸的电化学行为

硼掺杂金刚石(BDD)薄膜电极是用于电化学分析中的理想电极材料。以水杨酸(SA)为目标物,利用循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)对BDD电极上SA的电化学行为进行了研究。结果发现,SA的电化学过程有两个氧化峰,没有还原峰,氧化还原反应为不可逆反应。在低电势下出现的氧化峰电流正比于扫描速率的平方根,具有良好的线性关系,表明不可逆的氧化反应过程中扩散步骤为反应的控制步骤。电极/溶液界面的结构可以用R(QR)的等效电路拟合,当电极电位从开路电位(OCP)提高到2.5 V时,电荷转移电阻Rct从5.137×105Ω·cm2降低到4.171×102Ω·cm2,说明电极电位的增加能够加快氧化反应的进行,可以提高电催化反应速率大小。     

硼掺杂金刚石薄膜电极上水杨酸的电化学行为

硼掺杂金刚石(BDD)薄膜电极是用于电化学分析中的理想电极材料。以水杨酸(SA)为目标物,利用循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)对BDD电极上SA的电化学行为进行了研究。结果发现,SA的电化学过程有两个氧化峰,没有还原峰,氧化还原反应为不可逆反应。在低电势下出现的氧化峰电流正比于扫描速率的平方根,具有良好的线性关系,表明不可逆的氧化反应过程中扩散步骤为反应的控制步骤。电极/溶液界面的结构可以用R(QR)的等效电路拟合,当电极电位从开路电位(OCP)提高到2.5 V时,电荷转移电阻Rct从5.137×105Ω·cm2降低到4.171×102Ω·cm2,说明电极电位的增加能够加快氧化反应的进行,可以提高电催化反应速率大小。     

基于大面积BDD电极的废水降解研究

采用HFCVD方法制作了大面积Ti衬底掺硼金刚石(BDD)电极,并通过SEM、Raman等手段对BDD涂层形貌和质量进行了表征。以模拟苯酚废水作为研究对象,考察大面积BDD电极作为阳极材料的电化学方法对难降解酚类物质的降解速率和效果,主要研究了电流密度、槽压、电极间距、溶液pH值等因素对降解效果的影响,通过检测废水CODCr浓度的变化来探究不同试验条件下BDD电极对苯酚模拟废水的处理效果。结果表明,当电流密度在40~100 mA/cm~2、槽压为8~10 V、电极间距为10 mm、以及弱酸条件下对苯酚废水的处理效果最好。     

掺硼金刚石薄膜的制备与研究

采用微波等离子体化学气相沉积技术在单晶硅、钛、钼、铌、钽基体上制备掺硼金刚石薄膜。分别采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、激光拉曼光谱仪、四探针电阻率测试仪研究其物相组成、表面形貌、晶体结晶性和电阻率。硼原子代替碳原子进入金刚石晶格中,产生更多的缺陷形核中心,导致掺硼金刚石薄膜的金刚石晶粒尺寸和电阻率随着掺硼浓度增加而减小。金刚石薄膜和基体间形成碳化物,金刚石在石墨层上形核生长。碳原子在不同基体中的扩散系数不同,导致硅基掺硼金刚石薄膜的晶粒尺寸更小且更加均匀,金属基体上的部分金刚石出现了异常长大的现象。采用该方法制备的掺硼金刚石薄膜的结晶性较好,由于基体热膨胀系数较金刚石大从而导致薄膜内部产生压应力,使得金刚石薄膜的D峰均向高波数偏移。     

硼掺杂金刚石电极电解水制备臭氧技术研究

以硼掺杂金刚石(BDD)为电极,设计出膜电极一体化(MEA)反应器,采用SEM、XRD及Raman光谱等技术对电极进行表征分析,考察了电极材料、电流密度、电解液流速及电导率对臭氧产生性能的影响。结果表明,BDD电极是结晶度良好、高纯度的金刚石晶体,产生臭氧的最佳条件为:电流密度33 mA/cm²,电解液流速15 mL/min、电导率1μS/cm。在此条件下,臭氧产量为29.1 mg/h,产生臭氧的电流效率高达48.73%,能耗低至115 W·h/g。     

Pb~(2+)在掺硼金刚石膜电极上的电化学行为

为了充分发挥掺硼金刚石膜(BDD)电极在分析检测工业废水中重金属离子的优势,利用BDD电极作为工作电极,采用线性扫描阳极溶出伏安法测定水溶液中的铅离子,考察了硝酸、硫酸、高氯酸、盐酸4种酸体系对铅离子分析测试的影响。结果发现,在实验室条件下检测铅离子最优的支持电解质体系是硫酸,并且与其他3种酸(硝酸、盐酸、高氯酸)相比,硫酸更加稳定,不具挥发性。     

对乙酰氨基酚在硼掺杂金刚石薄膜电极上的电化学行为及测定

硼掺杂金刚石(BDD)薄膜电极是用于电化学分析的理想电极材料。采用循环伏安法研究了BDD电极上对乙酰氨基酚的电化学行为。研究发现,对乙酰氨基酚的氧化反应为不可逆电氧化反应,氧化峰电流与扫描速率的平方根成正比,受扩散控制。通过优化循环伏安测试参数建立了BDD电极上对乙酰氨基酚的测定方法,优化后测试参数为扫描速率10 mV/s,电压扫描范围为-1.0~2.0 V(vs.Ag/AgCl),扫描1次,扫描步长2.44 mV,得到氧化峰电流值与对乙酰氨基酚浓度在10.0~500.0 mg/L范围内呈线性关系,线性回归曲线为Y=1.279 34×10~6X+5.696 73,r=0.999 79。对本测定方法进行了精密度、稳定性和回收率的方法学考察,测定结果令人满意。     

单晶金刚石膜与多晶金刚石膜的制备工艺及性能

本文主要介绍了用微波等离子体化学气相沉积法(以下简称MP CVD法)以甲醇-氢气混合气和丙酮-氢气混合气为源气体,分别以单晶硅的(111)面和人造金刚石的(100)面为衬底材料,制备出了面积为20mm×20mm厚为10μm的多晶金刚石膜和面积为1.0mm×1.0mm厚为5μm的单晶金刚石膜。通过试验发现,源气体配比和衬底温度对薄膜质量起决定性作用。另外,衬底在反应腔中的位置对薄膜的生成也有很大影响。单晶金刚石膜制备过程中衬底金刚石的晶体取向与金刚石薄膜的生长及质量有密切的关系。在金刚石的(100),(110)和(111)面上分别获得了单晶金刚石膜和金刚石多晶粒子。选用扫描电镜、显微激光拉曼、反射电子衍射对多晶金刚石膜及单晶金刚石膜的性能进行了测试。