金刚石薄膜电极的电催化性能及应用

发布时间：2020-03-21 18:22

【摘要】： 金刚石薄膜作为一种新型的电极材料有常规电极不可比拟的优势,具有高析氧电位、低背景电流、吸附惰性和高物理化学稳定的特点,因而成为电化学电极的优良之选,并且获得了在电合成、电化学催化、电分析方面的应用。本论文利用掺硼金刚石(BDD)薄膜电极较高过电势而能高效率产生强氧化性中间物种的优势,探讨了其在电催化降解有机物方面的应用,并成功将其应用于实际工业超高化学需氧量(COD)有机废水的处理。利用热丝(HFCVD)、微波等离子体(MPCVD)和直流等离子体喷射(DC plasma jet CVD)化学气相沉积方法制备不同特性的金刚石薄膜。除了在常规掺杂衬底Si上制备外,在相对高电导率的Ta、Ti、Nb等金属材料上亦沉积成功金刚石薄膜。在特定的工艺条件下,XRD、SEM和Raman测试表明沉积薄膜为良好的sp3键结构的多晶金刚石,非金刚石相成分较少。在成功制备金刚石薄膜的基础上探讨了沉积工艺条件如功率、气压和碳源量对成膜质量的影响。利用循环伏安、交流阻抗等测试方法对钽基金刚石电极(Ta/BDD)进行了电化学特性表征,并探讨了金刚石电极/溶液界面的电极过程。通过循环伏安法测试发现掺硼金刚石膜电极在Na2SO4体系中具有非常宽的电化学窗口,达到4.1 V(-1.8 V~+2.3 V (vs SCE)),而且具有较小的背景电流;通过与其它电极的对比实验发现金刚石薄膜电极较Pt、IrO2、RuO2电极具有更高的析氧电位。考察了溶液的酸碱性、CVD沉积过程碳源量及硼掺杂等因素对电极电势窗口的影响。用交流阻抗法研究了不同极化电压下的交流阻抗特性,并用等效电路进行了模拟。在金刚石电催化应用实验发现金刚石薄膜电极对典型难生物降解有机物苯酚和硝基酚都能进行有效电催化降解,在特定的时间内两种有毒物质去除率能达到100%,COD去除率接近100%,说明BDD电极是难降解有机物去除和COD电催化降解的优良电极。考察了电流密度、有机物初始浓度和不同电解质浓度对电催化过程的影响。与常规电催化电极PbO2进行电催化性能对比实验发现金刚石薄膜电极具有更高的电流效率。电极强化寿命实验发现Ta/BDD薄膜电极具有良好的电化学稳定性,XRD测试表明电极表面在长时间的电解过程中电极表面基本保持不变。将Ta/BDD电极用于超高COD降解实验并组装BDD电极电催化降解装置用于味精废水和橡胶废水的工业化处理。工业化降解过程中该装置表现出电流效率高、功耗小的特点,非常适合电催化降解超高COD有机废水。
【图文】：

晶体结构,碳原子,金刚石,同素异形体

碳由 98.9％的 C12和少量同位素组位。自然界中碳的同素异形体有很多种石、金刚石、C60、碳纳米管等一系列同地重视。特别是金刚石，更是由于其特光学等性质，随着人造合成金刚石技术生物医学、机械、航空航天和核能等高子晶体，属等轴晶系，其晶体构造如图高度对称性的排列，每个碳原于均以。4 个碳原子排列在四面体锥角顶端，面体所共有。C-C 原子间以共价键连接28o，碳原子与相邻的 4 个碳原子之间的

示意图,金刚石晶体,原胞,示意图

图 1-2 金刚石晶体学原胞示意图形态是多种多样的，，通常所见的晶形在气相沉积金刚石薄膜的显微形貌中，与气相沉积过程中的工艺参数密切相异的性能[2]。和内部结构，可将其分为单晶体和多构排列成宏观晶体，但其外形却是多外还有菱形十二面体，曲面立方体等。体，自然界中存量稀少，约占天然金性质的不同，金刚石又可分为Ⅰa 、杂质氮，而理想的Ⅱ型金刚石是不含然金刚石类型，约占天然金刚石总量
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X703

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