中南大学金刚石团队：硼掺杂金刚石泡沫电极降解有机废水研究取得新进展
我国人均淡水占有量仅为世界的1/4，被联合国列为全球最缺水的13个贫水国之一。我国每年废水排放量超过700亿吨，电化学氧化技术是一种最具潜力的难生化降解有机废水处理技术，技术核心是电极材料及其制备，掺硼金刚石（BDD）电极是近年来的研究热点……
掺硼金刚石（BDD）电极
掺硼金刚石（BDD）电极是近年来的研究热点，这类电极具有最宽的电化学窗口、极高的析氧电位、极好的化学稳定性，可在强酸、强碱、高盐环境中长时间连续运行。然而，现有封闭型BDD电极活性面积小、传质速率慢，在电化学氧化降解有机废水中存在效率低、能耗高等局限。
中南大学金刚石团队研究工作
针对我国水环境对提标减排的迫切需求，中南大学金刚石团队提出以基体/过渡层/BDD为功能基元，构建“三维连续网络”序构，提高直接氧化速率和羟基自由基时空产率，并提升液相传质速率和羟基自由基利用率，形成“大比表面积+高传质速率+优异电化学特性”的协同效应。
具体研究思路为：利用CVD技术在泡沫镍表面沉积BDD，研究“三维连续网络序构与基体/过渡层/BDD功能基元的协同作用机制”和“三维连续网络BDD服役过程中的破坏失效机理及其微纳结构调控机制”等关键科学问题，最大限度发挥“功能基元+序构”的协同关联效应，制备出在极端服役条件下可高效率、低能耗、长时间稳定降解有机废水的三维互穿网络BDD电极，为今后该材料在环境电化学领域的研究与应用奠定基础。
中南大学金刚石团队通过优化化学气相沉积过程中的温度场和气氛场成功制备了高质量BDD泡沫电极，在国际权威期刊Applied Catalysis B: Environmental 245 (2019) 420-427首次报道了相关研究成果，相较于同尺寸封闭型二维平板BDD电极，BDD泡沫电极不仅电化学有效活性面积提升了20倍，而且分布均匀、尺寸可调的三维连续网络孔洞结构可供废水自由流通，极大地加速了液相与电极表面的对流，提升了液相的传质速率。
近期，该团队通过改变泡沫衬底结构和CVD工艺调控了BDD电极的宏/微观结构，与2D BDD电极相比，3D BDD电极的降解效率提升4~5倍，矿化能耗降低至1/15；50PPI-3D BDD1电极相比35PPI-3D BDD2电极降解ARS的矿化效率可提升30%；沉积间为24h/48h的3D BDD3电极，拥有大晶粒尺寸、高sp3/sp2相比例、高掺硼浓度，其电催化性能优异，相比12h/24h的3D BDD1电极，降解ARS的效率可提升15%~20%左右，电极基本不受电化学降解工艺参数和传质过程的限制。
该团队对平板BDD电极和三维互穿网络BDD电极表面液相的流速分布和湍动能分布进行了计算模拟。结果显示，平板电极边缘流速最小，中间流速加快，液相流动时为层流，湍动能几乎为零。泡沫结构内流速分布较为均匀，且最大速度出现在水绕过骨架通向孔径收窄位置。三维互穿网络序构电极的湍动强度较高，连通孔道结构改变了流体的流动通道，不断重新分配流体，流体流经孔道时由于流道截面积变小，使得网孔中的流速增大，而出孔后流体的径向扩散又增加了流体的扰动，增强了液相的湍流程度。三维互穿网络电极中流体的湍动强度明显高于平板电极，说明三维互穿网络结构中物料更易混合，有利于传质，流体湍动能强，有利于电极表面活性物质的扩散，提高了反应速率。
相关研究成果以“Ordered structures with functional units (OSFU) enabled highly robust diamond anode for electrochemical decomposing of organic pollutants”为题，发表在国际权威期刊Chemical Engineering Journal 397 (2020) 125465。魏秋平副教授（中南大学）和刘国帅博士（哈尔滨工业大学）为共同第一作者，魏秋平副教授、马莉副研究员、张龙博士和周科朝教授为共同通讯作者，中南大学为第一单位。今年早期该团队还通过气体压力熔渗技术将三维连续网络金刚石与金属铝复合，在铝基体中构建了三维连续网络金刚石快速导热通道。研究成果以“Construction of 3D interconnected diamond networks in Al-matrix composite for high-efficiency thermal management”为题发表在Chemical Engineering Journal 380 (2020) 122551。
中南大学金刚石团队通过优化化学气相沉积过程中的温度场和气氛场成功制备了一系列高质量三维连续网络金刚石，并围绕其在先进热管理材料、有机废水处理和生物传感器等领域的应用开展了系列研究，先后在Applied Catalysis B: Environmental、Applied Energy、Chemical Engineering Journal等国际期刊上发表相关SCI论文104篇，“新型高导热复合相变材料——全球高性能电子温控的领航者”在由教育部、发改委、工信部等12个中央部委单位和浙江省人民政府共同主办、109万个团队参赛的第五届中国“互联网+”大学生创新创业大赛中获得“金奖”，高教主赛道创意组中得分全国排名第一。
研究意义
金刚石除了作为钻石具有宝贵的美学价值外，还具有一系列优异的物理化学性能，其中包括最高的硬度、弹性模量，极高的击穿场强、热导率、载流子迁移率，极低的线膨胀系数、摩擦系数，很宽的禁带、光学透过率，非常好的化学稳定性和生物相容性，纯净的金刚石为良好的绝缘体，掺杂后可成为良好的半导体甚至可能成为超导体等，这些优异性能的集成使得金刚石成为自然界中最具有科技和艺术价值的固体。
化学气相沉积法（CVD）合成金刚石在最近40年取得了巨大的突破，使CVD金刚石在不久的将来实现市场化、产业化、规模化成为可能，与此同时，全世界的工程师和设计者都在积极探索和挖掘CVD金刚石的潜在应用价值，并且已经在医学诊断、电化学传感、水处理、放射线探测、高功率器件、声学器件、磁力测定和新型激光器等众多领域取得了很大的进展。
▶ 论文链接：
论文1：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720314571
论文2：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894719319540
论文3：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092633731831227X