中國(guó)粉體網(wǎng)訊 隨著我國(guó)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(jī)物的種類(lèi)和數(shù)量隨之增多。與傳統(tǒng)水處理方法相比，電化學(xué)氧化法處理效率高、無(wú)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(xué)高級(jí)氧化工藝的核心在于陽(yáng)極材料。常用的陽(yáng)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(xué)勢(shì)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(diǎn)，在污水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。
電化學(xué)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(dá)到1016Ω·cm，禁帶寬度超過(guò)5eV，是一種性能優(yōu)良的絕緣材料。當(dāng)硼原子摻雜進(jìn)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(jìn)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(dāng)金剛石中的硼原子濃度過(guò)高時(shí)，則會(huì)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(jìn)行混合后，經(jīng)過(guò)高溫高壓處理即可得到金剛石。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)石墨碳源和觸媒合金進(jìn)行滲硼處理或是直接將硼粉與石墨碳源以及觸媒進(jìn)行機(jī)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(shí)，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(jìn)一步燒結(jié)成形才能作為電極材料使用。
（二）化學(xué)氣相沉積法
常見(jiàn)的化學(xué)氣相沉積法包括熱絲化學(xué)氣相沉積法（HFCVD）以及微波等離子體化學(xué)氣相沉積法（MPCVD）。HFCVD是在惰性氣體的保護(hù)作用下，通過(guò)加熱燈絲，在高溫?zé)艚z的作用下，促使CH4和H2轉(zhuǎn)變?yōu)楹蓟鶊F(tuán)以及原子態(tài)氫，同時(shí)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(guò)多次的吸附、解析等過(guò)程最終在基底材料上得到BDD膜。BDD電極的電化學(xué)性能與HFCVD制備工藝密切相關(guān)，可通過(guò)調(diào)節(jié)沉積氣氛、溫度、氣壓、時(shí)間等工藝來(lái)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)廢水：BDD電極適用于處理高濃度、強(qiáng)酸堿、高毒性、難降解的有機(jī)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(jī)物濃度高、成分復(fù)雜、色度高、毒性強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、難生化降解，但BDD電極可以通過(guò)電化學(xué)氧化作用，將水中的有機(jī)物直接或間接氧化成無(wú)毒無(wú)害的無(wú)機(jī)物，如二氧化碳和水，從而實(shí)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(guò)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(jià)態(tài)化合物，從而實(shí)現(xiàn)重金屬離子的去除和回收。例如對(duì)于含鉻廢水，可以將Cr(Ⅵ)還原為Cr(Ⅲ)，進(jìn)而形成氫氧化鉻沉淀而去除。
殺滅廢水中的病毒和細(xì)菌：基于其產(chǎn)生強(qiáng)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(xì)菌，在一些對(duì)水質(zhì)衛(wèi)生要求較高的廢水處理場(chǎng)景中具有重要應(yīng)用價(jià)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(xué)傳感器領(lǐng)域
檢測(cè)痕量污染物：BDD電極的背景電流低，對(duì)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(duì)環(huán)境水樣、食品樣品等中的微量有害物質(zhì)的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)，如重金屬離子、農(nóng)藥殘留、酚類(lèi)化合物等的檢測(cè)。
生物傳感器：可用于構(gòu)建生物傳感器，通過(guò)將生物識(shí)別元件（如酶、抗體、核酸等）固定在BDD電極表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子（如葡萄糖、蛋白質(zhì)、DNA等）的特異性檢測(cè)，在生物醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。
（三）電化學(xué)合成領(lǐng)域
有機(jī)合成反應(yīng)：BDD電極可以作為陽(yáng)極或陰極，參與多種有機(jī)合成反應(yīng)，如電氧化合成醛、酮、羧酸等有機(jī)化合物，電還原合成醇、胺等。與傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法相比，電化學(xué)合成具有反應(yīng)條件溫和、選擇性高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。
無(wú)機(jī)化合物合成：在無(wú)機(jī)化合物的合成中也有應(yīng)用，如通過(guò)電解法制備過(guò)氧化氫、臭氧等強(qiáng)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(guó)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(huì)”。屆時(shí)，我們邀請(qǐng)到中南大學(xué)魏秋平教授出席本次大會(huì)并作題為《硼摻雜金剛石電極的調(diào)控與電化學(xué)工程應(yīng)用》的報(bào)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(xué)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(xué)資源再生與回收系統(tǒng)。
個(gè)人簡(jiǎn)歷：
魏秋平，中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博導(dǎo)，中英聯(lián)合培養(yǎng)博士，粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室固定成員，功能薄膜涂層與表面技術(shù)交叉研究中心負(fù)責(zé)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(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金若干項(xiàng)；作為課題一負(fù)責(zé)人參與廣東省“十三五”重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)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(xiàng)目若干項(xiàng)；主持國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、湖南省自然科學(xué)基金、企業(yè)橫向項(xiàng)目等近20項(xiàng)，與華為、藍(lán)思科技、歐科億等企業(yè)建立了長(zhǎng)期緊密的合作關(guān)系；累計(jì)發(fā)表學(xué)術(shù)論文140余篇，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利70余項(xiàng)。
參考來(lái)源：
王博等：基于摻硼金剛石電極的工業(yè)廢水處理研究進(jìn)展
李蓮蓮等：高性能摻硼金剛石電極的研究進(jìn)展
李瑤等：摻硼金剛石薄膜電極電化學(xué)氧化廢水研究進(jìn)展
湖南新鋒科技有限公司官網(wǎng)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/留白）
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