硼摻雜金剛石（BDD）是污水處理領域的明星材料，其C—C共價鍵以四面體的形式進行sp3雜化且鍵能較大，具有高穩(wěn)定性和高耐腐蝕性。此外，金剛石的表面化學惰性高，對氧分子的吸附性低，具有極高的析氧過電位。B原子摻入金剛石后作為電荷受體，產生有效的空穴摻雜，增加金剛石材料中的載流子數，可使材料表面的電子轉移動力速率增加，電化學性能得到改善，而性能的優(yōu)化程度取決于摻B濃度的大小。然而，對應用于水處理的金剛石陽極材料來說，硼摻雜對其降解性能的影響并非是簡單的硼原子越多降解性能越好。硼原子半徑大于碳原子半徑，金剛石晶格膨脹時會產生拉伸應力。研究表明：首先，相比低摻硼的BDD電極，高摻硼的BDD電極具有更多的雜質相，如sp2相、B聚體等。拉伸應力和雜質相的存在會導致剛性金剛石晶格的惡化，降低BDD電極在進行廢水降解時的穩(wěn)定性。其次，過多的硼摻雜會導致電極析氧過電位的下降，導致電催化過程中的副反應增多，極大地影響電極降解效率。
中南大學材料科學與工程學院魏秋平教授團隊在高摻硼濃度范圍內（1.21×10_21~ 9.11×10_21 cm_-3）設計了一系列不同摻硼濃度的Si/BDD電極。對電極的微觀結構和電化學性能進行表征，并設計活性藍19模擬廢水降解實驗。結果表明：當摻硼濃度較高時，金剛石的析氧過電位、電化學活性面積和降解能力會隨著硼濃度的升高呈現(xiàn)出先降低后升高再降低的趨勢，并且在[B]/[C]=50 000 ppm處實現(xiàn)最高的降解效率。

相關的成果以“Correlation of the role of boron concentration on the micro structure and electrochemical properties of diamond electrodes”為題，發(fā)表在Functional Diamond 雜志上。

作者介紹

魏秋平，中南大學材料科學與工程學院教授，博士生導師，粉末冶金國家重點實驗室研究員，功能薄膜涂層與表面技術交叉研究中心負責人。主要從事功能薄膜與涂層材料以及材料表面改性技術研究，參與和主持國家“十三五”重點研發(fā)、廣東省“十三五”重點研發(fā)、湖南省高新技術產業(yè)科技創(chuàng)新引領計劃、國家自然科學基金等20多個項目。累計發(fā)表學術論文140余篇（第一或通訊作者SCI論文100余篇，JCR1區(qū)50余篇），申請發(fā)明專利90余項（其中PCT國際（美國）發(fā)明專利6項，授權中國發(fā)明專利36項）。在中國“互聯(lián)網+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中先后斬獲金獎（中南大學首金）、銀獎和銅獎，先后獲得中國、湖南省、中南大學“優(yōu)秀創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導師”稱號，2012-2020年間先后被評為中南大學“優(yōu)秀班導師標兵”和“優(yōu)秀班導師”。在國內外各類學術會議作邀請報告20余次，先后擔任中國真空學會薄膜專業(yè)委員會委員、中國機械工程學會表面工程分會第六屆委員會委員、中國機械工程學會表面工程分會表面技術裝備學組特聘專家、中國機械工程學會表面工程分會青年學組特聘專家、深圳市真空技術行業(yè)協(xié)會專家委員會委員、湖南省機械工程學會摩擦學分會理事、Functional Diamond期刊編委、《金剛石與磨料磨具工程》期刊編委、《表面技術》期刊青年編委、2021年首屆全國先進金屬功能材料制備/加工及應用技術交流會執(zhí)行主席、2019~2021年中國環(huán)境科學學會學術年會難降解有機廢水處理分會主席、2020年第六屆全國有色金屬結構材料制備/加工及應用技術交流會表面涂層分會主席、2019年特種粉末冶金及復合材料制備加工會議金屬基復合材料分會主席等學術兼職。

文獻信息

Yinhao Chen, Xiaolei Gao, Guoshuai Liu, Ruitong Zhu, Wanlin Yang, Zhishen Li, Fangmu Liu, Kechao Zhou, Zhiming Yu, Qiuping Wei & Li Ma (2021) Correlation of the role of boron concentration on the microstructure and electrochemical properties of diamond electrodesFunctional Diamond, 1:1, 197-204,DOI: 10.1080/26941112.2021.2017759