Ta衬底B掺杂金刚石薄膜电极极化特性

　　1　引　言

　　化学气相沉积(CVD)方法沉积金刚石材料具有的优异物理化学性能使其在许多方面都有重要的应用[1-5]。近年,B掺杂金刚石(BDD)作为一种电极材料的出现引起广泛关注[6~10]。金刚石材料电极具有低背景电流、宽电势窗口和高化学稳定性和耐腐蚀等优点[11]。国外已经探索了金刚石电极应用于电分析[10]、电合成[12]和电氧[13]的应用,国内关于金刚石电极的报道也逐渐增多[14~16]。目前对于BDD电极的研究主要集中在Si和Ti衬底材料上[10,13,17,18]。但Si衬底脆性大、电阻率高,在电极工作电流较大的情况下会有较大的电势降,Si材料在引出电极方面也有相当的难度。Ti能沉积金刚石,但在Ti衬底沉积的金刚石容易脱落,使用寿命不够理想[18]。目前,关于Ta衬底金刚石电极材料还未有相关的报道。本文利用热丝CVD(HFCVD)方法在Ta衬底上沉积BDD(BDD/Ta)薄膜电极,测试了电极的物理和电化学特性,并将其用于苯酚的电催化氧化降解。

　　2　试　验

　　金刚石薄膜沉积采用HFCVD方法,Ta材料作为衬底。沉积前用直径为0.5μm的金刚石粉机械研磨在Ta表面形成划痕损伤,以利于形核,然后置于丙酮溶液中用超声波清洗30min。沉积过程中丙酮作C源,H2作非金刚石相刻蚀气体。丙酮置于冰水化合物中,其中通入H2带出丙酮作为金刚石沉积的C源。B掺杂源采用固体B2O3。沉积过程中,基底温度用热电偶测量,灯丝温度用红外测温仪测量。具体工艺参数如表1所示。HFCVD沉积Ta基底金刚石薄膜完毕后用环氧树脂密封其四周和背面,露出0.5 cm2面积作为测试电极,用Cu作为电极引线。

　　沉积的BDD/Ta薄膜用Raman光谱和扫描电镜(SEM)进行表征。电极循环伏安测试在电化学工作站上进行,其中BDD/Ta薄膜电极为工作电极,Pt电极为对电极,饱和甘汞(SCE)电极为参考电极,电势扫描范围为-3.0~+3.0 V,扫描速率为100 mV/s,采用0.5 MNa2SO4支持电解液。用0.01 MK3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6+0.1 M KCl体系考察电极氧化还原反应的可逆性,用不同扫描速度对电极进行测试,扫描速度分别为62.5、125、250、500和1000 mV/s。用交流阻抗法对BDD电极的动力学进行研究,测试在0.01 M K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6+0.5 M H2SO4体系中进行,电极电位采用0.8 V,频率范围采用0.1~10000 Hz。为了考察BDD/Ta电极的电催化特性,采用紫外-可见吸收光谱和化学需氧量(COD)分析方法研究BDD/Ta薄膜电极对苯酚的降解性能。实验采用BDD/Ta为阳极,不锈钢为阴极,电解过程中施加2 A直流电解电流,300 mL 10 mM苯酚+0.2 M H2SO4为降解实验对象。

　　3　结果和讨论

　　图1(a)为BDD/Ta薄膜放大2000倍的SEM图像,生长的BDD为多晶金刚石,生长颗粒尺寸大约在3~8μm间。Raman光谱来鉴别sp3金刚石相,同时可以跟sp2的非金刚石相加以区别,所获得的BDD/Ta膜的Raman谱如图1(b)所示,在1333 cm-1处出现一尖锐的金刚石拉曼峰,与天然金刚石的本征峰相吻合,由于sp3键C(金刚石相)的拉曼散射效应强度是sp2键碳(非金刚石相)的1/50,仅在1556 cm-1处出现一较弱的sp2石墨峰,故可判定sp2非金刚石相含量较少,沉积BDD/Ta金刚石薄膜具有较高的sp3/sp2。