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硼摻雜金剛石（BDD）是污水處理領(lǐng)域的明星材料，其C—C共價(jià)鍵以四面體的形式進(jìn)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(xué)惰性高，對(duì)氧分子的吸附性低，具有極高的析氧過(guò)電位。B原子摻入金剛石后作為電荷受體，產(chǎn)生有效的空穴摻雜，增加金剛石材料中的載流子數(shù)，可使材料表面的電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力速率增加，電化學(xué)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(duì)應(yīng)用于水處理的金剛石陽(yáng)極材料來(lái)說(shuō)，硼摻雜對(duì)其降解性能的影響并非是簡(jiǎn)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(shí)會(huì)產(chǎn)生拉伸應(yīng)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(zhì)相，如sp2相、B聚體等。拉伸應(yīng)力和雜質(zhì)相的存在會(huì)導(dǎo)致剛性金剛石晶格的惡化，降低BDD電極在進(jìn)行廢水降解時(shí)的穩(wěn)定性。其次，過(guò)多的硼摻雜會(huì)導(dǎo)致電極析氧過(guò)電位的下降，導(dǎo)致電催化過(guò)程中的副反應(yīng)增多，極大地影響電極降解效率。
中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院魏秋平教授團(tuán)隊(duì)在高摻硼濃度范圍內(nèi)（1.21×10_21~ 9.11×10_21 cm_-3）設(shè)計(jì)了一系列不同摻硼濃度的Si/BDD電極。對(duì)電極的微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能進(jìn)行表征，并設(shè)計(jì)活性藍(lán)19模擬廢水降解實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：當(dāng)摻硼濃度較高時(shí)，金剛石的析氧過(guò)電位、電化學(xué)活性面積和降解能力會(huì)隨著硼濃度的升高呈現(xiàn)出先降低后升高再降低的趨勢(shì)，并且在[B]/[C]=50 000 ppm處實(shí)現(xiàn)最高的降解效率。

相關(guān)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員，功能薄膜涂層與表面技術(shù)交叉研究中心負(fù)責(zé)人。主要從事功能薄膜與涂層材料以及材料表面改性技術(shù)研究，參與和主持國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)、廣東省“十三五”重點(diǎn)研發(fā)、湖南省高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新引領(lǐng)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等20多個(gè)項(xiàng)目。累計(jì)發(fā)表學(xué)術(shù)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(qǐng)發(fā)明專利90余項(xiàng)（其中PCT國(guó)際（美國(guó)）發(fā)明專利6項(xiàng)，授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利36項(xiàng)）。在中國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中先后斬獲金獎(jiǎng)（中南大學(xué)首金）、銀獎(jiǎng)和銅獎(jiǎng)，先后獲得中國(guó)、湖南省、中南大學(xué)“優(yōu)秀創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導(dǎo)師”稱號(hào)，2012-2020年間先后被評(píng)為中南大學(xué)“優(yōu)秀班導(dǎo)師標(biāo)兵”和“優(yōu)秀班導(dǎo)師”。在國(guó)內(nèi)外各類學(xué)術(shù)會(huì)議作邀請(qǐng)報(bào)告20余次，先后擔(dān)任中國(guó)真空學(xué)會(huì)薄膜專業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)表面工程分會(huì)第六屆委員會(huì)委員、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)表面工程分會(huì)表面技術(shù)裝備學(xué)組特聘專家、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)表面工程分會(huì)青年學(xué)組特聘專家、深圳市真空技術(shù)行業(yè)協(xié)會(huì)專家委員會(huì)委員、湖南省機(jī)械工程學(xué)會(huì)摩擦學(xué)分會(huì)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(shù)》期刊青年編委、2021年首屆全國(guó)先進(jìn)金屬功能材料制備/加工及應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)執(zhí)行主席、2019~2021年中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)難降解有機(jī)廢水處理分會(huì)主席、2020年第六屆全國(guó)有色金屬結(jié)構(gòu)材料制備/加工及應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)表面涂層分會(huì)主席、2019年特種粉末冶金及復(fù)合材料制備加工會(huì)議金屬基復(fù)合材料分會(huì)主席等學(xué)術(shù)兼職。

文獻(xiàn)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