中南大學(xué)功能薄膜涂層與表面技術(shù)交叉研究中心團(tuán)隊(duì)一直致力于金剛石薄膜在超硬刀具涂層、有機(jī)廢水處理、先進(jìn)熱管理材料和生物傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用和基礎(chǔ)研究。最近，該團(tuán)隊(duì)在前期已有基礎(chǔ)上，在水處理電極和生物傳感電極方面取得進(jìn)展。

       1、電化學(xué)氧化技術(shù)

       電化學(xué)氧化技術(shù)（Electrochemical oxidation）是一種最具潛力的難生化降解有機(jī)廢水處理技術(shù)，技術(shù)核心是高性能的陽極材料及其制備技術(shù)，摻硼金剛石（BDD）電極是近年來的研究熱點(diǎn)，這類電極具有最寬的電化學(xué)窗口（最高接近4.5V）、極高的析氧電位（最高接近2.8V）、極好的化學(xué)穩(wěn)定性，可在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高鹽環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

我國(guó)每年廢水排放量超過700億噸

       目前普遍采用封閉型二維平板BDD電極，其比表面積小、傳質(zhì)速率慢，反應(yīng)過程受擴(kuò)散過程控制，液相中的有機(jī)物無法快速地?cái)U(kuò)散至電極表面被直接氧化或被電催化產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性物質(zhì)（如羥基自由基）間接氧化，而羥基自由基的淬滅時(shí)間非?？欤ń橛谖⒚雫納秒之間），導(dǎo)致羥基自由基利用率很低，嚴(yán)重制約了BDD電化學(xué)氧化降解有機(jī)廢水的效率。

       該團(tuán)隊(duì)前期針對(duì)該問題首次提出采用化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)在泡沫金屬表面構(gòu)建具有三維網(wǎng)絡(luò)大孔結(jié)構(gòu)的BDD泡沫電極，相較于同尺寸封閉型二維平板電極，BDD泡沫電極不僅電化學(xué)有效活性面積大幅提升，而且分布均勻、尺寸可調(diào)的三維網(wǎng)絡(luò)孔洞結(jié)構(gòu)可供廢水自由流通，極大地加速了液相與電極表面的對(duì)流，大幅提升了液相的湍動(dòng)能和傳質(zhì)速率（Applied Catalysis B: Environmental 245 (2019) 420–427, IF:19.503; Chemical Engineering Journal 397 (2020)125465. IF:13.273）。

       最近，針對(duì)泡沫金屬鎳或銅的穩(wěn)定性均有待提高的問題，該團(tuán)隊(duì)提出采用3D打印技術(shù)，構(gòu)建形狀可控、耐腐蝕的三維網(wǎng)路鈦襯底，開發(fā)了大比表面積、高傳質(zhì)速率、強(qiáng)耐腐蝕性的三維網(wǎng)絡(luò)硼摻雜金剛石水處理電極，該電極不僅降解效率相較于平板電極大幅提高，而且由于金屬鈦優(yōu)異的耐腐蝕特性，加速壽命實(shí)驗(yàn)表明該電極展現(xiàn)出了極強(qiáng)的穩(wěn)定性。

3D BDD 水處理電極：制備和應(yīng)用

       研究成果“3D-Printed Highly Ordered Ti Networks-Based Boron-Doped Diamond: An Unprecedented Robust Electrochemical Oxidation Anode for Decomposition of Refractory Organics”，發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊Chemical Engineering Journal（IF:13.273），博士研究生李海超和楊萬林為共同第一作者，粉末冶金研究院周科朝教授、馬莉副教授和材料科學(xué)與工程學(xué)院魏秋平教授為共同通信作者，中南大學(xué)為第一單位。

       2、多巴胺

多巴胺（Dopamine）是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)，其腦內(nèi)含量與帕金森病、阿爾茲海默癥等神經(jīng)類疾病息息相關(guān)。

由于多巴胺濃度較低且變化很大，其檢測(cè)始終是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。高選擇性、高靈敏度、高穩(wěn)定性的檢測(cè)手段是解決這一難題的關(guān)鍵，電化學(xué)檢測(cè)方法相較于高效液相色譜法和微透析等具有更好的時(shí)間和空間分辨率，但是對(duì)于存在強(qiáng)干擾物質(zhì)的多巴胺檢測(cè)仍然存在選擇性和靈敏度不足等問題。

基于此，該團(tuán)隊(duì)首次提出將金剛石電極刻蝕成納米孔結(jié)構(gòu)，然后在孔內(nèi)進(jìn)一步修飾超導(dǎo)納米碳黑，該策略在大大增加電極活性的同時(shí)，還可以很好地通過錨定的方式固定住納米顆粒，從而物理性地阻止納米顆粒的團(tuán)聚失效、增強(qiáng)電極的穩(wěn)定性，最后使用離子交換膜在電極外層對(duì)多巴胺強(qiáng)干擾物抗壞血酸進(jìn)行排斥，最終實(shí)現(xiàn)多巴胺高靈敏度的選擇性檢測(cè)。

基于金剛石薄膜的多巴胺傳感器機(jī)理示意圖和檢測(cè)干擾機(jī)制

        研究成果“A Novel Modification to Boron-Doped Diamond Electrode for Enhanced, Selective Detection of Dopamine in Human Serum”，發(fā)表在國(guó)際期刊CARBON 171 (2021) 16-28（IF:9.594），博士研究生李海超和粉末冶金研究院周科朝教授為共同第一作者，中科院寧波材料所林正得教授、英國(guó)華威大學(xué)的Sharel E. Pei博士以及中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院魏秋平教授為共同通信作者，中南大學(xué)為第一單位。該論文目前為ESI高被引論文。

        該團(tuán)隊(duì)在加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究的同時(shí)，著眼于國(guó)家科技需求，積極響應(yīng)“中國(guó)制造2025”和“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型升級(jí)”的號(hào)召，圍繞金剛石在污水處理、先進(jìn)熱管理材料、涂層刀具和生物傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用，發(fā)表SCI論文140余篇，申報(bào)中國(guó)發(fā)明專利80余項(xiàng)（已授權(quán)39項(xiàng)），國(guó)際PCT發(fā)明專利6項(xiàng)，并成功將相關(guān)研究成果及時(shí)進(jìn)行了技術(shù)孵化與應(yīng)用。