中國粉體網(wǎng)訊 隨著我國工業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)廢水的排放量日益增加，且難降解有機物的種類和數(shù)量隨之增多。與傳統(tǒng)水處理方法相比，電化學氧化法處理效率高、無二次污染且可持續(xù)，已用于多種難處理廢水，是環(huán)境友好的處理技術(shù)。電化學高級氧化工藝的核心在于陽極材料。常用的陽極材料包括石墨電極、金屬電極（Cu、Pb等）、金屬氧化物電極（MnO2、RuO2、NiO等）以及摻硼金剛石（BDD）電極。其中，BDD電極具有電化學勢窗寬、背景電流小、介電常數(shù)低、可逆性好、空穴遷移率高等特點，在污水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景，成為近年來的研究熱點。
電化學氧化原理圖
BDD是金剛石中一部分碳原子被硼原子取代的金剛石材料。因金剛石本征電阻可達到1016Ω·cm，禁帶寬度超過5eV，是一種性能優(yōu)良的絕緣材料。當硼原子摻雜進入金剛石中，金剛石從絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體。這是由于硼原子進入金剛石晶格后產(chǎn)生空穴載流子，使之成為空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。隨著硼摻雜濃度的增加，金剛石中的空穴濃度隨之增加，載流子濃度增加，導(dǎo)電性能提升。但當金剛石中的硼原子濃度過高時，則會破壞金剛石的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致金剛石的導(dǎo)電性能大幅降低。
BDD電極材料的制備方法
（一）高溫高壓法
高溫高壓法（HPHT）是一種常用的人造金剛石合成方法。將石墨碳源以及觸媒按比例進行混合后，經(jīng)過高溫高壓處理即可得到金剛石。在此基礎(chǔ)上，通過對石墨碳源和觸媒合金進行滲硼處理或是直接將硼粉與石墨碳源以及觸媒進行機械混合的方式，即可制備出BDD粉體。然而，使用高溫高壓法制備BDD時，金剛石顆粒通常需要在金屬溶劑的環(huán)境下析出，導(dǎo)致所制備得到的金剛石往往以微粉的形式存在，需進一步燒結(jié)成形才能作為電極材料使用。
（二）化學氣相沉積法
常見的化學氣相沉積法包括熱絲化學氣相沉積法（HFCVD）以及微波等離子體化學氣相沉積法（MPCVD）。HFCVD是在惰性氣體的保護作用下，通過加熱燈絲，在高溫燈絲的作用下，促使CH4和H2轉(zhuǎn)變?yōu)楹蓟鶊F以及原子態(tài)氫，同時以辛硼烷或乙硼烷等氣態(tài)硼化物作為硼源，使其在基底材料上經(jīng)過多次的吸附、解析等過程最終在基底材料上得到BDD膜。BDD電極的電化學性能與HFCVD制備工藝密切相關(guān)，可通過調(diào)節(jié)沉積氣氛、溫度、氣壓、時間等工藝來調(diào)控其硼原子摻雜濃度、晶面取向、sp3/sp2相比例等。由此制備得到的BDD膜性能穩(wěn)定，硼原子的摻雜濃度可控。HFCVD具有操作方便、設(shè)備簡單等優(yōu)點，適用于大尺寸BDD膜電極的制備。
BDD電極應(yīng)用領(lǐng)域
（一）廢水處理領(lǐng)域
處理高危有機廢水：BDD電極適用于處理高濃度、強酸堿、高毒性、難降解的有機廢水，如醫(yī)藥、農(nóng)藥、石化、焦化、鋰電等行業(yè)的工業(yè)廢水。這些廢水中的有機物濃度高、成分復(fù)雜、色度高、毒性強、化學性質(zhì)穩(wěn)定、難生化降解，但BDD電極可以通過電化學氧化作用，將水中的有機物直接或間接氧化成無毒無害的無機物，如二氧化碳和水，從而實現(xiàn)廢水的凈化處理。
去除廢水中的重金屬離子：BDD電極在一定條件下可以通過電沉積等作用，將廢水中的重金屬離子還原成金屬單質(zhì)或其低價態(tài)化合物，從而實現(xiàn)重金屬離子的去除和回收。例如對于含鉻廢水，可以將Cr(Ⅵ)還原為Cr(Ⅲ)，進而形成氫氧化鉻沉淀而去除。
殺滅廢水中的病毒和細菌：基于其產(chǎn)生強氧化性物質(zhì)的能力，BDD電極可以有效地殺滅廢水中的病毒和細菌，在一些對水質(zhì)衛(wèi)生要求較高的廢水處理場景中具有重要應(yīng)用價值，如醫(yī)療廢水、生活污水等的深度處理。
顆粒BDD電極，泡沫BDD電極，平板BDD電極
圖源：湖南新鋒科技有限公司官網(wǎng)
（二）電化學傳感器領(lǐng)域
檢測痕量污染物：BDD電極的背景電流低，對電解液中的痕量污染物具有較高的靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境水樣、食品樣品等中的微量有害物質(zhì)的快速、準確檢測，如重金屬離子、農(nóng)藥殘留、酚類化合物等的檢測。
生物傳感器：可用于構(gòu)建生物傳感器，通過將生物識別元件（如酶、抗體、核酸等）固定在BDD電極表面，實現(xiàn)對生物分子（如葡萄糖、蛋白質(zhì)、DNA等）的特異性檢測，在生物醫(yī)學診斷、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。
（三）電化學合成領(lǐng)域
有機合成反應(yīng)：BDD電極可以作為陽極或陰極，參與多種有機合成反應(yīng)，如電氧化合成醛、酮、羧酸等有機化合物，電還原合成醇、胺等。與傳統(tǒng)的化學合成方法相比，電化學合成具有反應(yīng)條件溫和、選擇性高、環(huán)境友好等優(yōu)點。
無機化合物合成：在無機化合物的合成中也有應(yīng)用，如通過電解法制備過氧化氫、臭氧等強氧化劑，以及一些金屬氧化物、金屬氫氧化物等功能材料。
2024年12月24日，中國粉體網(wǎng)將在河南·鄭州舉辦“2024半導(dǎo)體行業(yè)用金剛石材料技術(shù)大會”。屆時，我們邀請到中南大學魏秋平教授出席本次大會并作題為《硼摻雜金剛石電極的調(diào)控與電化學工程應(yīng)用》的報告，魏秋平教授將為您具體介紹BDD電極材料大面積制備的技術(shù)瓶頸與解決方案，BDD電極電化學氧化降解高危廢水的應(yīng)用現(xiàn)狀，以及應(yīng)用于高危廢水處理的電化學資源再生與回收系統(tǒng)。
個人簡歷：
魏秋平，中南大學材料科學與工程學院教授、博導(dǎo)，中英聯(lián)合培養(yǎng)博士，粉末冶金國家重點實驗室固定成員，功能薄膜涂層與表面技術(shù)交叉研究中心負責人。從事功能薄膜與涂層材料以及材料表面改性技術(shù)研究近20年，作為課題骨干成員參與國家“十三五”重點研發(fā)項目、國家自然科學基金若干項；作為課題一負責人參與廣東省“十三五”重點研發(fā)項目、湖南省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)科技攻關(guān)與重大科技成果轉(zhuǎn)化項目若干項；主持國家自然科學基金、中國博士后科學基金、湖南省自然科學基金、企業(yè)橫向項目等近20項，與華為、藍思科技、歐科億等企業(yè)建立了長期緊密的合作關(guān)系；累計發(fā)表學術(shù)論文140余篇，申請發(fā)明專利70余項。
參考來源：
王博等：基于摻硼金剛石電極的工業(yè)廢水處理研究進展
李蓮蓮等：高性能摻硼金剛石電極的研究進展
李瑤等：摻硼金剛石薄膜電極電化學氧化廢水研究進展
湖南新鋒科技有限公司官網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/留白）
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