热丝化学气相沉积掺硼金刚石薄膜作为氧还原反应催化剂

摘要

燃料电池是一种受到广泛关注的产电技术，具有清洁、环保、低排放等优点。但目前还未被工业广泛应用，其原因之一是燃料电池阴极的氧还原反应迟缓，动力学高度不可逆，需要催化剂催化反应。掺硼金刚石作为一种非金属催化剂，具有一定的催化性能，同时又可以保持金刚石的优异机械、热学和力学等性能，是很有前途的催化剂。但目前关于掺硼金刚石作为氧还原反应催化剂的机理研究以及影响因素研究并不全面。本文以掺硼金刚石中硼含量与石墨相含量对氧还原反应的影响为主要研究内容，展开了掺硼金刚石沉底的选择，掺硼金刚石催化剂的制备，硼含量的控制，石墨相含量的控制，形貌、结构、成分表征，以及电化学测试等的研究工作。
　　采用热丝化学气相沉积法，在石墨片、钛片、硅片和硅粉上制备了金刚石薄膜。扫描电子显微镜、X射线衍射和拉曼光谱分析发现石墨衬底上金刚石晶粒较完整，但X射线衍射和拉曼光谱分析很难将石墨衬底中的石墨相与金刚石薄膜中的石墨相区分。硅片衬底上金刚石晶粒完整，X射线衍射分析和拉曼光谱中金刚石峰较明显，但硅衬底导电性差。硅粉衬底上金刚石质量较差。以上衬底都不适合于本实验后续分析，而钛片衬底上金刚石质量较好，X射线衍射和拉曼光谱中金刚石峰明显，同时钛片导电性很好，适合于本实验后续测试分析。
　　采用固体掺硼法，在钛片衬底上制备不同硼含量的掺硼金刚石薄膜。保持其他制备条件相同，硼含量通过改变硼源容器内径从而控制反应气氛中硼源浓度来控制。分析结果显示，金刚石中有原子级别的硼元素掺杂，随着硼源浓度的增加，掺硼金刚石晶粒尺寸逐渐减小，硼元素含量逐渐增加，金刚石（220）晶面比例下降，（111）晶面比例升高。氧还原反应电位没有明显变化，保持在-0.77 V附近，反应电流密度先增加后减小，这是由掺硼金刚石中的缺陷增加和台阶原子密度减小综合影响的结果。同时，计时电流测试显示出掺硼金刚石具有较好的耐久性和耐甲醇性。
　　通过改变沉积气氛中碳源浓度比例（CH4/H2）来改变掺硼金刚石中石墨相含量，保持其他制备条件相同，得到石墨相含量不同的掺硼金刚石。测试结果显示，随着碳源浓度的增加，掺硼金刚石晶粒尺寸逐渐减小，晶界增加，石墨相含量增加。氧还原反应电流密度没有明显改变，反应电位随着石墨相含量的增加而向正向移动，这更加有利于反应的进行。
　　综合分析可知，本实验最合适的衬底为钛片，掺硼金刚石中硼含量对氧还原反应催化反应中的电流密度有较大影响，石墨相含量对反应电位影响较大。掺硼金刚石在反应中有较好的耐久性，长时间反应性能稳定，同时抗甲醇毒化性好，很有希望成为氧还原反应的非金属催化剂。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 金刚石与掺硼金刚石简介

1.3 氧还原反应简介

1.4 本课题目的与研究意义

2 金刚石制备、表征和电化学测试方法

2.1 化学气相沉积法制备金刚石方法

2.2 掺硼金刚石掺硼方式和工艺参数

2.3 掺硼金刚石物理表征

2.4 掺硼金刚石电化学性能测试方法

3 不同衬底上沉积的金刚石薄膜

3.1 不同衬底金刚石制备

3.2 不同衬底金刚石薄膜表征

3.3 本章小结

4 不同硼含量掺硼金刚石催化性能研究

4.1 不同硼含量掺硼金刚石制备

4.2 不同硼含量掺硼金刚石表征

4.3 电化学性能

4.4 本章小结

5 不同石墨含量掺硼金刚石催化性能研究

5.1 不同石墨相含量掺硼金刚石制备

5.2 不同石墨相含量掺硼金刚石表征

5.3 电化学性能

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢