【原创】硼掺杂金刚石电极的调控与电化学工程应用

中国粉体网讯  随着我国工业的迅猛发展，工业废水的排放量日益增加，且难降解有机物的种类和数量随之增多。与传统水处理方法相比，电化学氧化法处理效率高、无二次污染且可持续，已用于多种难处理废水，是环境友好的处理技术。电化学高级氧化工艺的核心在于阳极材料。常用的阳极材料包括石墨电极、金属电极（Cu、Pb等）、金属氧化物电极（MnO₂、RuO₂、NiO等）以及掺硼金刚石（BDD）电极。其中，BDD电极具有电化学势窗宽、背景电流小、介电常数低、可逆性好、空穴迁移率高等特点，在污水处理中具有广阔的应用前景，成为近年来的研究热点。

电化学氧化原理图

BDD是金刚石中一部分碳原子被硼原子取代的金刚石材料。因金刚石本征电阻可达到10¹⁶Ω·cm，禁带宽度超过5eV，是一种性能优良的绝缘材料。当硼原子掺杂进入金刚石中，金刚石从绝缘体转变为半导体。这是由于硼原子进入金刚石晶格后产生空穴载流子，使之成为空穴型半导体或P型半导体。随着硼掺杂浓度的增加，金刚石中的空穴浓度随之增加，载流子浓度增加，导电性能提升。但当金刚石中的硼原子浓度过高时，则会破坏金刚石的结构，导致金刚石的导电性能大幅降低。

BDD电极材料的制备方法

（一）高温高压法

高温高压法（HPHT）是一种常用的人造金刚石合成方法。将石墨碳源以及触媒按比例进行混合后，经过高温高压处理即可得到金刚石。在此基础上，通过对石墨碳源和触媒合金进行渗硼处理或是直接将硼粉与石墨碳源以及触媒进行机械混合的方式，即可制备出BDD粉体。然而，使用高温高压法制备BDD时，金刚石颗粒通常需要在金属溶剂的环境下析出，导致所制备得到的金刚石往往以微粉的形式存在，需进一步烧结成形才能作为电极材料使用。

（二）化学气相沉积法

常见的化学气相沉积法包括热丝化学气相沉积法（HFCVD）以及微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）。HFCVD是在惰性气体的保护作用下，通过加热灯丝，在高温灯丝的作用下，促使CH₄和H₂转变为含碳基团以及原子态氢，同时以辛硼烷或乙硼烷等气态硼化物作为硼源，使其在基底材料上经过多次的吸附、解析等过程最终在基底材料上得到BDD膜。BDD电极的电化学性能与HFCVD制备工艺密切相关，可通过调节沉积气氛、温度、气压、时间等工艺来调控其硼原子掺杂浓度、晶面取向、sp³/sp²相比例等。由此制备得到的BDD膜性能稳定，硼原子的掺杂浓度可控。HFCVD具有操作方便、设备简单等优点，适用于大尺寸BDD膜电极的制备。

BDD电极应用领域

（一）废水处理领域

处理高危有机废水：BDD电极适用于处理高浓度、强酸碱、高毒性、难降解的有机废水，如医药、农药、石化、焦化、锂电等行业的工业废水。这些废水中的有机物浓度高、成分复杂、色度高、毒性强、化学性质稳定、难生化降解，但BDD电极可以通过电化学氧化作用，将水中的有机物直接或间接氧化成无毒无害的无机物，如二氧化碳和水，从而实现废水的净化处理。

去除废水中的重金属离子：BDD电极在一定条件下可以通过电沉积等作用，将废水中的重金属离子还原成金属单质或其低价态化合物，从而实现重金属离子的去除和回收。例如对于含铬废水，可以将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)，进而形成氢氧化铬沉淀而去除。

杀灭废水中的病毒和细菌：基于其产生强氧化性物质的能力，BDD电极可以有效地杀灭废水中的病毒和细菌，在一些对水质卫生要求较高的废水处理场景中具有重要应用价值，如医疗废水、生活污水等的深度处理。

颗粒BDD电极，泡沫BDD电极，平板BDD电极

图源：湖南新锋科技有限公司官网

 （二）电化学传感器领域

检测痕量污染物：BDD电极的背景电流低，对电解液中的痕量污染物具有较高的灵敏度，能够实现对环境水样、食品样品等中的微量有害物质的快速、准确检测，如重金属离子、农药残留、酚类化合物等的检测。

生物传感器：可用于构建生物传感器，通过将生物识别元件（如酶、抗体、核酸等）固定在BDD电极表面，实现对生物分子（如葡萄糖、蛋白质、DNA等）的特异性检测，在生物医学诊断、环境监测等领域具有潜在应用前景。

（三）电化学合成领域

有机合成反应：BDD电极可以作为阳极或阴极，参与多种有机合成反应，如电氧化合成醛、酮、羧酸等有机化合物，电还原合成醇、胺等。与传统的化学合成方法相比，电化学合成具有反应条件温和、选择性高、环境友好等优点。

无机化合物合成：在无机化合物的合成中也有应用，如通过电解法制备过氧化氢、臭氧等强氧化剂，以及一些金属氧化物、金属氢氧化物等功能材料。

2024年12月24日，中国粉体网将在河南·郑州举办“2024半导体行业用金刚石材料技术大会”。届时，我们邀请到中南大学魏秋平教授出席本次大会并作题为《硼掺杂金刚石电极的调控与电化学工程应用》的报告，魏秋平教授将为您具体介绍BDD电极材料大面积制备的技术瓶颈与解决方案，BDD电极电化学氧化降解高危废水的应用现状，以及应用于高危废水处理的电化学资源再生与回收系统。

个人简历：

魏秋平，中南大学材料科学与工程学院教授、博导，中英联合培养博士，粉末冶金国家重点实验室固定成员，功能薄膜涂层与表面技术交叉研究中心负责人。从事功能薄膜与涂层材料以及材料表面改性技术研究近20年，作为课题骨干成员参与国家“十三五”重点研发项目、国家自然科学基金若干项；作为课题一负责人参与广东省“十三五”重点研发项目、湖南省战略性新兴产业科技攻关与重大科技成果转化项目若干项；主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金、湖南省自然科学基金、企业横向项目等近20项，与华为、蓝思科技、欧科亿等企业建立了长期紧密的合作关系；累计发表学术论文140余篇，申请发明专利70余项。

参考来源：

王博等：基于掺硼金刚石电极的工业废水处理研究进展

李莲莲等：高性能掺硼金刚石电极的研究进展

李瑶等：掺硼金刚石薄膜电极电化学氧化废水研究进展

湖南新锋科技有限公司官网

（中国粉体网编辑整理/留白）

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