编号：FTJS107927
篇名： 硼掺杂金刚石电极的高温高压制备及电化学特性
作者： 林亚陆
关键词： 高温高压法; 硼掺杂金刚石; 电化学性能; 废水处理;
机构：郑州大学
摘要： 随着全球经济的快速发展与科技的不断进步,生活污水与工业废水的种类以及排放量与日俱增,传统的污水处理技术已不能满足处理复杂有机污水的需求。电化学高级氧化技术作为环境友好型的污水处理技术被众多学者关注,硼掺杂金刚石(BDD),作为一种先进的电化学阳极材料,展现出优异的电化学性质,包括较宽的电位窗口、低吸附特性、较高的氧化电位等,在污水处理领域有着十分广阔的应用前景。目前主流的BDD电极的制备方式是化学气相沉积法(CVD),但其存在技术要求严格、成本高、生产效率较低等问题。因此,开发低成本、工艺简单、高效、稳定的新型BDD电极制备技术对于解决复杂污水处理问题至关重要,同时电极制备要均衡成本与效率之间的关系,才能使得BDD电极真正能够满足大规模工业化应用的要求。 本文采用高压高温(HPHT)方法合成金刚石,合成微米级硼掺杂金刚石颗粒,并将其进一步球磨破碎到2μm,然后开展无粘结剂直接烧结型和生长型大尺寸块体BDD电极的制备研究,对BDD颗粒微电极与两种BDD体电极进行了基本的电化学性能测试,并且进行了 CVD-BDD商业化电极与本课题制备的两种BDD电极对模拟污染物(亚甲基蓝)降解效果的对比,并且对以上三种BDD体电极降解亚甲基蓝(MB)的最优降解条件进行了探究,以下是本课题的研究结论: (1)以传统的金刚石生长工艺(5.4 GPa、1450℃、15 min)制备的BDD粒度大约为250 μm,然后将其球磨破碎为粒度2 μm的BDD微粉。拉曼光谱(Raman)与扫描电镜(SEM)图像显示BDD晶体结晶质量较好,X射线衍射(XRD)图谱表明BDD微粉无其它杂相。BDD微电极的电化学测试结果表明BDD颗粒的电化学性能良好,电极的电子传递系数接近0.5,证明BDD颗粒的良好可逆性与氧化还原性。 (2)不使用烧结助剂,直接将球磨破碎后的BDD微粉通过HPHT方法烧结成BDD自支撑体材料电极(6.6 GPa、1700℃、10 min)。密度测试表明BDD自支撑电极致密化程度较高,达到了 93.07%。Raman和XRD图谱显示,BDD电极在HPHT烧结后金刚石的石墨化程度较低,SEM图像显示BDD电极表面存在孔隙和突起,从而增加了 BDD电极的比表面积。BDD电极的电位窗口较宽,BDD自支撑电极电荷转移电阻低至25 Ω cm-2,电化学测试结果表明BDD自支撑电极有优异的电催化活性。 (3)采用生长型金刚石聚晶制备方式,通过引入金属触媒钴(Co)将BDD颗粒聚合烧结为再生长型BDD电极(1250-1400℃、5.2-5.5 GPa、10 min)。密度测试表明再生长型BDD电极的致密度进一步提升,达到了 96.3%。Raman、XRD图谱与EDS图像显示,再生长型BDD电极表面是由纯净的BDD颗粒组成,证明空气氛围下的高温处理以及电解处理后,电极表面的石墨与残留金属被成功的去除。SEM图像显示再生长型BDD电极表面存在孔隙网络,从而增加了比表面积。再生长型BDD电极相比于直接烧结型电极的热导率有较大提升,达到568.6 W/(mK)。再生长型BDD电极的电荷转移电阻低至1 Ωcm-2,电化学测试结果表明再生长型BDD电极的优异的可逆性和电催化活性。 (4)我们对比了 BDD自支撑电极和再生长型BDD电极与商业CVD-BDD电极降解亚甲基蓝的性能。制备的两种电极都对MB具有比较显著的脱色效果。相同条件下,BDD自支撑电极在相同时间内的降解效果弱于CVD-BDD,而再生长型BDD电极与CVD-BDD电极的降解效果相当。相比于CVD法制备的BDD电极,采用HTHP方式制备BDD电极在成本和效率上具有很大优势。此外,我们的研究工作对BDD电极的相关研究与商业化推广应用提供了实验和技术支撑。