三维多孔材料因具备大比表面积、开放孔道、微反应器环境以及缩短的溶质和电荷传输距离等优势，在催化载体、废水处理、能源存储与转换等领域具有广阔应用前景。其中，三维多孔硼掺杂金刚石薄膜结合了金刚石优异的电化学性能（宽电势窗口、低背景电流、高耐腐蚀性）与多孔结构的高比表面积优势，是极具吸引力的电极材料。然而，金刚石因其超高的原子密度和强sp³共价键，使得可控构筑三维互通多孔结构并同时保持高金刚石纯度面临巨大挑战。传统模板法存在模板去除困难、结构易坍塌、非金刚石碳含量高等问题，而自上而下的刻蚀法则受限于设备复杂、成本高昂且孔结构难以调控。

针对上述难题，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心黄楠研究员团队开发了一种简便、无模板的制备策略，成功实现了三维互通多孔硼掺杂金刚石薄膜的可控构筑。该策略分为两步：首先，利用热丝化学气相沉积技术，通过调控沉积温度（800–860°C）制备出硼掺杂金刚石/非金刚石碳复合薄膜，其中非金刚石碳的含量和尺寸随温度升高而增加；随后，采用混酸（硫酸+硝酸）在150°C下处理1小时，选择性地刻蚀去除非金刚石碳相，保留高纯度的金刚石骨架，从而获得三维互通多孔结构。

系统表征表明，所得多孔金刚石薄膜具有均匀分布的孔道，孔径可在10–650 nm范围内调控，且孔道贯穿整个膜层，形成三维互通网络。X射线三维断层扫描成像直观证实了孔道在水平和垂直方向的均匀分布及互通互联特征。拉曼光谱和X射线光电子能谱分析显示，刻蚀后薄膜中sp³碳含量超过92%，非金刚石碳被完全去除，且薄膜仍保持重掺杂的金属型导电特性（载流子浓度达10²¹ cm⁻³量级）。

电化学测试结果显示，该三维多孔硼掺杂金刚石薄膜展现出优异的电容性能。在800°C沉积温度下制备的样品，其双电层电容高达17.54 mF/cm²，是平面硼掺杂金刚石薄膜的约2400倍，且在已报道的金刚石电极中处于较高水平。同时，该薄膜的电化学稳定窗口宽达2.6 V，远超传统sp²碳基电极材料（<1.23 V）。经10,000次充放电循环后，电容保持率超过100%，展现出卓越的长期循环稳定性。这种优异的综合性能源于三维互通多孔结构带来的巨大有效表面积和高效离子传输通道，以及无sp²碳杂相的高质量金刚石骨架所提供的结构稳定性和耐腐蚀性。

该研究工作为三维多孔硼掺杂金刚石薄膜的简易、可控、低成本制备提供了新途径，所制备材料在超级电容器、电化学传感、废水处理及电催化等领域具有广阔的应用前景。

相关成果以“Integration of 3D interconnected porous microstructure and high electrochemical property for boron-doped diamond by facile strategy”为题发表于 Journal of Materials Science & Technology（2022, 105, 26–35）。论文第一作者为卢志刚博士，通讯作者为黄楠研究员和姜辛教授。该研究得到了国家自然科学基金等项目的资助。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.07.020

图1：三维多孔硼掺杂金刚石薄膜的制备流程示意图

图2：三维多孔金刚石薄膜的电化学性能及循环稳定性测试结果