1.一種鈮基硼摻雜金剛石泡沫電極,所述電極是由泡沫金屬骨架表面設置一層金屬鈮,或在泡沫骨架表面設置一層改性層后,再在改性層表面設置一層金屬鈮構成的電極基體,再在電極基體表面設置硼摻雜金剛石層或硼摻雜金剛石層復合層構成。
2.根據權利要求1所述的一種鈮基硼摻雜金剛石泡沫電極,其特征在于:所述泡沫骨架選自海綿、泡沫金屬或合金、泡沫有機物、泡沫非金屬無機物中的一種。
3.根據權利要求2所述的一種鈮基硼摻雜金剛石泡沫電極,其特征在于:泡沫骨架基體孔徑為0.01~10mm,開孔率20%~99%,孔洞均勻分布或隨機分布;泡沫基體為二維平面片狀結構或三維立體結構;金屬鈮沉積層厚度為5μm-3mm。
4.根據權利要求3所述的一種鈮基硼摻雜金剛石泡沫電極,其特征在于:所述泡沫金屬或合金選自泡沫鎳、泡沫銅、泡沫鈦、泡沫鈷、泡沫鎢、泡沫鉬、泡沫鉻、泡沫鐵鎳、泡沫鋁中的一種;所述泡沫非金屬無機物選自泡沫A12O3、泡沫ZrO2、泡沫SiC、泡沫Si3N4、泡沫BN、泡沫B4C、泡沫AlN、泡沫WC、泡沫Cr7C3中的一種;所述泡沫有機物選自聚氨酯(PUR)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、酚醛樹脂(PF)等中的一種。
5.根據權利要求1所述的一種鈮基硼摻雜金剛石泡沫電極,其特征在于:改性層材料選自鈦、鎳、鎢、鉬、鉻、鉭、鉑、銀、硅中的一種或多種的復合。
6.根據權利要求1-5任意一項所述的鈮基硼摻雜金剛石泡沫電極,其特征在于:所述摻硼金剛石復合層選自石墨烯包覆摻硼金剛石、碳納米管包覆摻硼金剛石、碳納米管/石墨烯包覆摻硼金剛石中的一種。
7.一種鈮基硼摻雜金剛石泡沫電極的應用,是將權利要求6所述的電極應用于電化學合成、電化學污水凈化處理、電化學檢測、電化學生物傳感器領域。
8.根據權利要求7所述一種鈮基硼摻雜金剛石泡沫電極的應用,在進行污水處理時,利用具有空間網絡互穿多孔結構的鈮基硼摻雜金剛石泡沫電化學氧化與臭氧氧化、光催化降解、生物氧化技術耦合使用,衍生出更高效節能的處理方法。
9.一種鈮基硼摻雜金剛石泡沫電極的制備方法,包括下述步驟:
第一步,泡沫金屬骨架表面金屬鈮層采用磁控濺射法、化學電沉積法中的一種方法制備;或采用化學鍍、電鍍、靜電吸附法、電泳法中的一種方法在泡沫有機物骨架或泡沫無機物骨架表面設置改性層后,再在改性層表面設置金屬鈮層,得到電極基體;
第二步,通過化學氣相沉積方法在電極基體表面均勻沉積摻硼金剛石層或硼摻雜金剛石層復合層。
10.根據權利要求9所述的一種鈮基硼摻雜金剛石泡沫電極的制備方法,其特征在于:第一步中,
磁控濺射法在泡沫骨架表面設置金屬鈮層工藝參數為:
采用直流磁控濺射系統,工作氣體為99.99%高純氬氣,靶材為純度為99.95%的金屬鈮靶,工作氣壓為0.6Pa,濺射功率為120-200W,靶材與樣品距離為50-100mm,沉積速率為10-500nm/min,沉積時間為5min-1000min;或,
化學電沉積沉積金屬鈮層工藝參數為:
化學電沉積金屬鈮層是以泡沫骨架為陰極,質量百分含量達到99.9%的純鈮板為陽極,用砂紙打磨,機械拋光至光亮鏡面,丙酮清洗1-10min,稀鹽酸活化1-10min,去離子水沖洗,再用丙酮脫脂,風干;電解質由離子液體氯化膽堿與乙二醇按摩爾比1∶2配置,采用恒電流沉積,恒定電流密度為0.10~0.05mA/cm2,電沉積溫度140~150℃,沉積時間為5-300min,鈮鍍層厚度為1-50μm;
對于泡沫金屬骨架,先采用1vol.%HCl清洗去除表面金屬氧化物,然后用丙酮清洗去除表面油污后,接入電沉積系統陰極;
對于泡沫有機物或泡沫無機物,采用化學鍍、電鍍、靜電吸附法、電泳法中的一種方法在其表面沉積一層改性層后,接入電沉積系統陰極。
11.根據權利要求10所述的一種鈮基硼摻雜金剛石泡沫電極的制備方法,其特征在于:第二步中,
沉積硼摻雜金剛石層工藝參數為:
將第一步得到的電極基體置于化學氣相沉積爐中,或對電極基體表面種植籽晶后再置于化學氣相沉積爐中,含碳氣體占爐內全部氣體質量流量百分比為0.5-10.0%;生長溫度為600-1000℃,生長氣壓103-104Pa,得到表面設置硼摻雜金剛石層的電極基體;硼源采用固體、液體、氣體硼源中的一種;
沉積石墨烯包覆硼摻雜金剛石復合層:
將已沉積硼摻雜金剛石層的電極基體置于化學氣相沉積爐中,直接沉積石墨烯;沉積參數為:含碳氣體占爐內全部氣體質量流量百分比為5-80%;生長溫度為400-1200℃,生長氣壓5-105Pa;等離子電流密度0-50mA/cm2;沉積區域中磁場強度為100高斯至30特斯拉;或
在摻硼金剛石表面采用電鍍、化學鍍、蒸鍍、磁控濺射、化學氣相沉積、物理氣相沉積中的一種方法在摻硼金剛石表面沉積鎳、銅、鈷中的一種或復合改性層,再沉積石墨烯,得到表面為石墨烯包覆硼摻雜金剛石的泡沫骨架;
沉積碳納米管包覆硼摻雜金剛石復合層:
將已沉積硼摻雜金剛石層的電極基體置于化學氣相沉積爐中,直接沉積碳納米管;沉積參數為:含碳氣體占爐內全部氣體質量流量百分比為5-50%;生長溫度為400-1300℃,生長氣壓103-105Pa;等離子電流密度0-30mA/cm2;沉積區域中磁場強度為100高斯至30特斯拉;或
在摻硼金剛石表面采用電鍍、化學鍍、蒸鍍、磁控濺射、化學氣相沉積、物理氣相沉積中的一種方法在沉積表面沉積鎳、銅、鈷中的一種或復合改性層,再沉積碳納米管,得到表面為碳納米管包覆硼摻雜金剛石的泡沫骨架;
沉積碳納米管/石墨烯包覆摻硼摻雜金剛石復合層:
將已沉積硼摻雜金剛石層的電極基體置于化學氣相沉積爐中,直接沉積碳納米管、石墨烯復合體;碳納米管林沉積參數為:含碳氣體占爐內全部氣體質量流量百分比為5-50%;生長溫度為400-1300℃,生長氣壓103-105Pa;等離子電流密度0-30mA/cm2;沉積區域中磁場強度為100高斯至30特斯拉;石墨烯墻沉積參數為:含碳氣體占爐內全部氣體質量流量百分比為5-80%;生長溫度為400-1200℃,生長氣壓5-105Pa;等離子電流密度0-50mA/cm2;沉積區域中磁場強度為100高斯至30特斯拉;或
采用電鍍、化學鍍、蒸鍍、磁控濺射、化學氣相沉積、物理氣相沉積中的一種方法在摻硼金剛石表面沉積鎳、銅、鈷中的一種或復合改性層;再沉積碳納米管、石墨烯,得到表面為碳納米管/石墨烯包覆摻硼摻雜金剛石的泡沫骨架。
12.根據權利要求11所述的一種鈮基硼摻雜金剛石泡沫電極的制備方法,其特征在于:將已沉積硼摻雜金剛石層的電極基體清洗、烘干后置于化學氣相沉積爐中,沉積石墨烯、碳納米管、碳納米管/石墨烯時,在泡沫基體上施加等離子輔助生長,同時在泡沫基體底部添加磁場,將等離子體約束在泡沫基體近表面,強化等離子對泡沫基體表面的轟擊,使石墨烯或/和碳納米管垂直于金剛石表面生長,形成碳納米管林或石墨烯墻,得到表面均布石墨烯墻包覆金剛石、碳納米管林包覆金剛石或碳納米管林/石墨烯墻包覆金剛石的三維空間網絡多孔電極。
13.根據權利要求11所述的一種鈮基硼摻雜金剛石泡沫電極的制備方法,其特征在于:對電極基體表面種植籽晶的方法是:
將電極基體置于納米晶和微米晶金剛石混合顆粒的懸濁液中,于超聲波中震蕩、分散均勻,納米晶和微米晶金剛石顆粒吸附在電極基體網孔表面;或
配置含有納米或微米金剛石的水溶液或有機溶液,采用電泳沉積法使納米晶和微米晶金剛石顆粒吸附在電極基體網孔表面。
14.根據權利要求11所述的一種鈮基硼摻雜金剛石泡沫電極的制備方法,其特征在于:硼摻雜金剛石層厚度或硼摻雜金剛石層復合層厚度為0.5μm~500μm,摻硼金剛石層中硼含量為100~3000ppm。
15.根據權利要求11所述的一種鈮基硼摻雜金剛石泡沫電極的制備方法,其特征在于:所述鈮基硼摻雜金剛石泡沫電極兼具微米級摻硼金剛石及納米級摻硼金剛石形貌,從泡沫骨架外層到內層呈現梯度形貌分布,具體為在泡沫骨架外層呈微米級摻硼金剛石形貌;泡沫骨架內層呈納米級摻硼金剛石形貌;晶粒尺寸為1nm-300μm。
16.根據權利要求15所述的一種泡沫骨架增強的鈮電極的制備方法,其特征在于:對鈮基硼摻雜金剛石泡沫電極表面進行無相變刻蝕,進一步提高所述摻硼金剛石比表面積;所述無相變刻蝕采用活性H原子或高能激光進行,使金剛石表面均勻分布大量微孔。
17.根據權利要求15所述的一種泡沫骨架增強的鈮電極的制備方法,其特征在于:針對應用于生物傳感器的鈮基硼摻雜金剛石泡沫電極,對其表面進行金屬熱催化刻蝕處理,熱催化刻蝕處理金屬選自鎳、銅、金、銀、鈷、錸中的一種,熱催化刻蝕處理金屬厚度為1nm-900nm,熱催化刻蝕溫度700-1000℃,時間1-180分鐘。