一种硼掺杂金刚石的制备方法与流程

本发明属于超硬材料，尤其涉及一种硼掺杂金刚石的制备方法。

背景技术：

1、由于bdd在耐热性、耐磨性、化学惰性、抗氧化性以及抗压强度等方面均优于普通金刚石，因此近年来随着现代工业的飞速发展，含硼金刚石在各个行业中都显示出巨大的应用前景，逐渐成为了研制电子发射电极、光探测器、场效应晶体管和真空隧道显微镜探针等设备的理想材料，其超导性质的发现，更加扩展了含硼金刚石的利用前景。其良好的耐磨和研磨的特点，也使得bdd在应用于硬韧材料等方面在工艺应用领域具有极高的利用价值。

2、bdd作为一种性能优异的电极材料，在电场作用下，能够氧化水分子产生大量的高氧化位的羟基自由基(·oh)，因此研究者们将bdd电极作为电化学高级氧化技术的阳极应用到环境污染控制领域。与其他的高级氧化技术相似，如崔化臭氧氧化法、fenton氧化以及光催化氧化等，通过反应过程中产生的羟基自由基彻底地矿化氧化水中的各种有机污染物或微生物生成二氧化碳、水和无机离子，实现降解各种高浓度、有毒、难降解的污水的目的。近年来，基于bdd阳极电化学处理有机污染物的研究非常广泛，涉及酚类、燃料、表面活性剂、农药、有机酸、医药以及废水的可生化预处理等。同时也有文献报导bdd用于处理氰化物阳极重金属离子的废水研究。目前，高温高压法(hpht)和低压化学气相沉积(cvd)法是制备bdd电极的常用方法。cvd法制备bdd具有硼掺杂浓度易于控制、金刚石纯度较好等优点，其中掺硼浓度可以达到1020mg/l，在室温下其空穴迁移率可达到1500cm2v-1s-1，电阻率为10-2ω·cm，使得电极运用到电化学领域进行污水处理成为可能，然而cvd法生产bdd活性面积小、传质速率慢，在电化学氧化降解有机废水中存在效率低、能耗高等局限，从而限制了其产业化推广，因此其一直处于研究阶段，未能实现产业化。相比于cvd法，利用hpht法合成bdd时，其具有合成周期短，成本低等优点，但目前hpht法制备的bdd因硼掺杂浓度较低而展现出较低的导电能力，进而影响其电化学性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种硼掺杂金刚石的制备方法，以石墨烯、纳米氮化硼、邻碳硼烷等为原料，采用溶胶-凝聚技术原位制备金属触媒，利用电场辅助烧结制备高活性的石墨柱，利用六面顶压机将上述石墨柱合成高硼掺杂量的硼掺杂金刚石。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种硼掺杂金刚石的制备方法，包括以下步骤：

4、s1.将邻碳硼烷溶解于环己烷中混合均匀，再依次将石墨烯与纳米氮化硼加入其中于超声设备中处理2h至混合均匀；

5、s2.将步骤s1超声处理以后的溶液至于烘箱中于40～60℃保温8～12h去除环己烷，将邻碳硼烷溶解在环己烷中，随后环己烷挥发，邻碳硼烷就会在石墨烯表面成为涂层；

6、s3.将n，n'-亚甲基双丙烯酰胺、丙烯酰胺、六水合硝酸钴、九水合硝酸铁、六水合硝酸镍、柠檬酸溶解于80～100ml蒸馏水中搅拌均匀备用，该混合溶液为了将石墨烯和纳米氮化硼分散均匀，将步骤s2处理过的石墨烯加入溶液中，在超声机械搅拌设备中处理2h至混合均匀，之后向其中加入过硫酸铵溶液和四甲基乙二胺溶液，搅拌形成凝胶，其中过硫酸铵是引发剂，能够使n，n'-亚甲基双丙烯酰胺和丙烯酰胺发生交联反应、四甲基乙二胺是催化剂加速上述反应，该反应使整个溶液固化，变为凝胶，形成共沉淀的作用，可以称为高分子网络凝胶技术，柠檬酸是络合剂，其作用是形成金属离子络合物，也可以理解为铁钴镍的共沉淀；通过氢气还原使的铁钴镍合金原位生长在石墨表面；

7、s4.将凝胶置于120℃烘箱中处理10～15h，用球磨机将干凝胶破碎为325#以下细度的粉末后于氢气气氛的炉子中600～800℃下还原3～5h压制成石墨柱，之后于800～3000v的电场下处理3～5h；

8、s5.用六面顶压机将步骤s4处理后的石墨柱于3.5～4.5gpa的压力和1300～1500℃处理5～20min合成为掺硼金刚石。

9、进一步的，所述步骤s1中石墨烯与纳米氮化硼均为单层或多层结构，邻碳硼烷、石墨烯、纳米氮化硼的质量比为1～6:20～60:1～10。

10、进一步的，所述步骤s2和s3中超声处理为超声波功率1000～3000w，机械搅拌转速为10～40rpm。

11、进一步的，所述步骤s3中n，n'-亚甲基双丙烯酰胺、丙烯酰胺、六水合硝酸钴、九水合硝酸铁、六水合硝酸镍、柠檬酸的质量比为0.2～0.4:3～7:10～20:20～30:13～20:2～6，过硫酸铵溶液和四甲基乙二胺溶液的质量比为0.2～0.5:0.1～0.3。

12、本发明的机理为：在表面含有邻碳硼烷石墨烯和单多层氮化硼在催化剂(铁、钴、镍)的作用高温高压下转化为高硼含量的含硼金刚石。其中硼源有两个来源：1邻碳硼烷，2纳米氮化硼。催化剂是使用高分子网络凝胶和氢气还原技术在石墨烯等原料表面制备的铁钴镍催化剂。

13、本发明具有的优点是：与现有技术相比，以石墨烯、纳米氮化硼、邻碳硼烷等为原料，采用溶胶-凝聚技术原位制备金属触媒，利用电场辅助烧结制备高活性的石墨柱合成的金刚石具有高的热冲击强度、高的耐磨性、高的化学惰性、电导率。

技术特征：

1.一种硼掺杂金刚石的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的硼掺杂金刚石的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中石墨烯与纳米氮化硼均为单层或多层结构，邻碳硼烷、石墨烯、纳米氮化硼的质量比为1~6:20~60:1~10。

3.如权利要求1所述的硼掺杂金刚石的制备方法，其特征在于：所述步骤s2和s3中超声处理为超声波功率1000~3000w，机械搅拌转速为10~40 rpm。

4.如权利要求3所述的硼掺杂金刚石的制备方法，其特征在于：所述步骤s3中n，n'-亚甲基双丙烯酰胺、丙烯酰胺、六水合硝酸钴、九水合硝酸铁、六水合硝酸镍、柠檬酸的质量比为0.2~0.4:3~7:10~20:20~30:13~20:2~6，过硫酸铵溶液和四甲基乙二胺溶液的质量比为0.2~0.5:0.1~0.3。

技术总结本发明属于超硬材料技术领域，尤其涉及一种硼掺杂金刚石的制备方法，以石墨烯、纳米氮化硼、邻碳硼烷等为原料，采用溶胶‑凝聚技术原位制备金属触媒，利用电场辅助烧结制备高活性的石墨柱，利用六面顶压机将上述石墨柱合成高硼掺杂量的硼掺杂金刚石。技术研发人员：张建华,孔帅斐,李凤凤,王英华,薛胜辉,穆小娜,李会娜,李科强,赵腾飞,张君霞受保护的技术使用者：郑州华晶金刚石股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/17