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中南大學金剛石團隊:硼摻雜金剛石泡沫電極降解有機廢水研究取得新進展

關鍵詞 中南大學 , 硼摻雜金剛石|2020-06-05 10:04:28|來源 Carbontech
摘要 我國人均淡水占有量僅為世界的1/4,被聯合國列為全球最缺水的13個貧水國之一。我國每年廢水排放量超過700億噸,電化學氧化技術是一種最具潛力的難生化降解有機廢水處理技術,技術核心是...

       我國人均淡水占有量僅為世界的1/4,被聯合國列為全球最缺水的13個貧水國之一。我國每年廢水排放量超過700億噸,電化學氧化技術是一種最具潛力的難生化降解有機廢水處理技術,技術核心是電極材料及其制備,摻硼金剛石(BDD)電極是近年來的研究熱點……

       摻硼金剛石(BDD)電極

       摻硼金剛石(BDD)電極是近年來的研究熱點,這類電極具有最寬的電化學窗口、極高的析氧電位、極好的化學穩定性,可在強酸、強堿、高鹽環境中長時間連續運行。然而,現有封閉型BDD電極活性面積小、傳質速率慢,在電化學氧化降解有機廢水中存在效率低、能耗高等局限。

       中南大學金剛石團隊研究工作

       針對我國水環境對提標減排的迫切需求,中南大學金剛石團隊提出以基體/過渡層/BDD為功能基元,構建“三維連續網絡”序構,提高直接氧化速率和羥基自由基時空產率,并提升液相傳質速率和羥基自由基利用率,形成“大比表面積+高傳質速率+優異電化學特性”的協同效應。

       具體研究思路為:利用CVD技術在泡沫鎳表面沉積BDD,研究“三維連續網絡序構與基體/過渡層/BDD功能基元的協同作用機制”和“三維連續網絡BDD服役過程中的破壞失效機理及其微納結構調控機制”等關鍵科學問題,最大限度發揮“功能基元+序構”的協同關聯效應,制備出在極端服役條件下可高效率、低能耗、長時間穩定降解有機廢水的三維互穿網絡BDD電極,為今后該材料在環境電化學領域的研究與應用奠定基礎。

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       中南大學金剛石團隊通過優化化學氣相沉積過程中的溫度場和氣氛場成功制備了高質量BDD泡沫電極,在國際權威期刊Applied Catalysis B: Environmental 245 (2019) 420-427首次報道了相關研究成果,相較于同尺寸封閉型二維平板BDD電極,BDD泡沫電極不僅電化學有效活性面積提升了20倍,而且分布均勻、尺寸可調的三維連續網絡孔洞結構可供廢水自由流通,極大地加速了液相與電極表面的對流,提升了液相的傳質速率。

       近期,該團隊通過改變泡沫襯底結構和CVD工藝調控了BDD電極的宏/微觀結構,與2D BDD電極相比,3D BDD電極的降解效率提升4~5倍,礦化能耗降低至1/15;50PPI-3D BDD1電極相比35PPI-3D BDD2電極降解ARS的礦化效率可提升30%;沉積間為24h/48h的3D BDD3電極,擁有大晶粒尺寸、高sp3/sp2相比例、高摻硼濃度,其電催化性能優異,相比12h/24h的3D BDD1電極,降解ARS的效率可提升15%~20%左右,電極基本不受電化學降解工藝參數和傳質過程的限制。

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       該團隊對平板BDD電極和三維互穿網絡BDD電極表面液相的流速分布和湍動能分布進行了計算模擬。結果顯示,平板電極邊緣流速最小,中間流速加快,液相流動時為層流,湍動能幾乎為零。泡沫結構內流速分布較為均勻,且最大速度出現在水繞過骨架通向孔徑收窄位置。三維互穿網絡序構電極的湍動強度較高,連通孔道結構改變了流體的流動通道,不斷重新分配流體,流體流經孔道時由于流道截面積變小,使得網孔中的流速增大,而出孔后流體的徑向擴散又增加了流體的擾動,增強了液相的湍流程度。三維互穿網絡電極中流體的湍動強度明顯高于平板電極,說明三維互穿網絡結構中物料更易混合,有利于傳質,流體湍動能強,有利于電極表面活性物質的擴散,提高了反應速率。

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       相關研究成果以“Ordered structures with functional units (OSFU) enabled highly robust diamond anode for electrochemical decomposing of organic pollutants”為題,發表在國際權威期刊Chemical Engineering Journal 397 (2020) 125465。魏秋平副教授(中南大學)和劉國帥博士(哈爾濱工業大學)為共同第一作者,魏秋平副教授、馬莉副研究員、張龍博士和周科朝教授為共同通訊作者,中南大學為第一單位。今年早期該團隊還通過氣體壓力熔滲技術將三維連續網絡金剛石與金屬鋁復合,在鋁基體中構建了三維連續網絡金剛石快速導熱通道。研究成果以“Construction of 3D interconnected diamond networks in Al-matrix composite for high-efficiency thermal management”為題發表在Chemical Engineering Journal 380 (2020) 122551。

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       中南大學金剛石團隊通過優化化學氣相沉積過程中的溫度場和氣氛場成功制備了一系列高質量三維連續網絡金剛石,并圍繞其在先進熱管理材料、有機廢水處理和生物傳感器等領域的應用開展了系列研究,先后在Applied Catalysis B: Environmental、Applied Energy、Chemical Engineering Journal等國際期刊上發表相關SCI論文104篇,“新型高導熱復合相變材料——全球高性能電子溫控的領航者”在由教育部、發改委、工信部等12個中央部委單位和浙江省人民政府共同主辦、109萬個團隊參賽的第五屆中國“互聯網+”大學生創新創業大賽中獲得“金獎”,高教主賽道創意組中得分全國排名第一。

       研究意義

       金剛石除了作為鉆石具有寶貴的美學價值外,還具有一系列優異的物理化學性能,其中包括最高的硬度、彈性模量,極高的擊穿場強、熱導率、載流子遷移率,極低的線膨脹系數、摩擦系數,很寬的禁帶、光學透過率,非常好的化學穩定性和生物相容性,純凈的金剛石為良好的絕緣體,摻雜后可成為良好的半導體甚至可能成為超導體等,這些優異性能的集成使得金剛石成為自然界中最具有科技和藝術價值的固體。

       化學氣相沉積法(CVD)合成金剛石在最近40年取得了巨大的突破,使CVD金剛石在不久的將來實現市場化、產業化、規模化成為可能,與此同時,全世界的工程師和設計者都在積極探索和挖掘CVD金剛石的潛在應用價值,并且已經在醫學診斷、電化學傳感、水處理、放射線探測、高功率器件、聲學器件、磁力測定和新型激光器等眾多領域取得了很大的進展。

       ? 論文鏈接:

       論文1:

       https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720314571

       論文2:

       https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894719319540

       論文3:

       https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092633731831227X

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