高硼掺杂金刚石薄膜(Si/BDD)的制备及电化学性能的研究

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随着人们生活水平的提高,人们对水质的要求也越来越高,但是工业生产中的废水以及水体污染却日趋严重,这势必要我们尽快找到更好的方法来解决这些问题。在当今社会,“节能减排”已成为时代的主题,废水处理是重要的措施之一,而工业废水中的难降解有机化合物,特别是含有高浓度的芳香族化合物,毒性较大,用一般生物降解方法难以直接去除,需要辅助与电化学催化的方法,而在电催化过程中电极起着核心作用,决定着电极的电催化能力、电流效率及使用寿命,目前使用的一些电极材料有很多不足之处,如氧化不彻底、表面容易钝化、寿命短等。掺硼金刚石薄膜(Boron-Doped Diamond Film:BDD)作为一种新型电极材料,最近受到人们很大的关注,在强酸介质中其惰性表面仍具备低的吸附特性的和强的抗腐蚀性;在水和非水溶液中电解时,都有较宽的电化学势窗,与其他电极材料相比,具有更好的化学、物理性能,表现出潜在的应用优势,本文主要讨论了导电金刚石薄膜电极在污水处理应用中的最新研究成果,同时对目前BDD电极在应用方面所面临的问题进行了展望。本文利用MPCVD法在高掺杂硅衬底上生长掺硼金刚石膜,并用四探针,扫描电镜,激光拉曼,电化学工作站对其进行了检测,发现所制备的掺硼金刚石膜电阻率达10-2Ω·cm,同时发现金刚石膜质量因硼原子的掺入而有所下降,采用循环伏安法研究其电化学性质,结果表明,与Pt电极相比,BDD电极具有较宽的电化学窗口,较低的背景电流;选用高掺杂的硅作基底使导线从导电基底接入,能够为Si/BDD电极提供更多工作面积从而节约制备成本;在铁氰化钾电解液中,电极表面所进行的电化学反应具有较好的准可逆性,并且电极表面具有较好的稳定性,在对有机物苯酚的催化氧化检测中发现:与Pt电极相比,BDD电极氧化能力强,且氧化产物简单,彻底,用自制的BDD电极对自制的模拟污水的处理实验中发现,高硼掺杂的Si/BDD电极在高效的处理有机污水方面切实可行,并有望取代传统电极成为新一代绿色环保材料。为了修复表面受损的BDD电极,需对其表面进行平整化处理,因为表面不平整会引起电极表面局部电流密度过大而产生较大的腐蚀坑,但是金刚石具有很高的硬度,加工困难,因此为了改善BDD电极表面平整性,需要寻找一种对金刚石刻蚀效率较高的材料,本文利用微波等离子体化学气相沉积(Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition, MPCVD)技术,在氢等离子体作用下,研究了Fe和Co对CVD金刚石膜的刻蚀速率。用SEM观察刻蚀效果,用Raman光谱对其表面结构进行表征。结果表明:在氢等离子体的作用下,Fe、Co对金刚石表面都有明显的腐蚀作用,其中Fe的刻蚀速率较高,并且可以通过对溶碳材料的厚度控制,来实现对刻蚀速率与刻蚀量的有效控制。对刻蚀后的样品用混合酸及丙酮处理后,得到了可与原始金刚石相媲美的质量。
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