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硼掺杂金刚石电极对PFAS的电化学去除性能
张森崇, 吕继涛, 王森, 吕继磊, 王少龙, 王亚韡
高等学校化学学报    2025, 46 (8): 20250096-.   DOI:10.7503/cjcu20250096
摘要   (830 HTML5 PDF(pc) (5983KB)(140)  

采用微波等离子化学气相沉积技术, 以铌片作为基底, 制备了6种不同硼掺杂量的掺硼金刚石 (Nb/BDD)电极, 探究了不同硼掺杂量对Nb/BDD电极电化学性能及氧化全氟辛酸(PFOA)的影响, 并将其应用于不同全氟及多氟烷基类化合物(PFASs)的电化学去除. 结果表明, 随着硼掺杂量的增加, Nb/BDD薄膜的晶粒尺寸逐渐减小, 电极表面的电子转移速率逐渐增加, 但薄膜质量下降, 导致其脱落率增加. 以Na2SO4作为电解质, 在30 mA/cm2电流密度下, 以Nb/BDD电极为阳极在120 min内使PFOA的降解率达到78.3%, 矿化率在240 min内达到78.1%. 在6种不同硼掺杂量的Nb/BDD电极中, 中低掺杂的Nb/BDD电极对PFOA具有更高的降解和矿化能力, 说明通过调控BDD的硼掺杂量可实现PFAS的高效电化学去除. 对降解产物进行分析的结果表明, PFOA的电化学降解遵循碳链逐级去除的规律, 其中, 阳极与污染物之间的直接电子转移是降解的关键起始步骤. 通过对不同链长全氟磺酸(PFSA)和全氟羧酸(PFCA)的电化学降解发现, 碳链长度与PFAS的降解率和矿化率呈正比, 因此, 降解产生的短链产物是限制PFAS彻底矿化的主要原因. 未来需要更加关注短链和超短链PFAS的高效去除, 以满足通过电化学技术实现PFAS完全无害化处理的需求.



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Fig.1 SEM images of Nb/BDD1(A), Nb/BDD2(B), Nb/BDD3(C), Nb/BDD4(D), Nb/BDD5(E) and Nb/BDD6(F) electrodes
正文中引用本图/表的段落
使用SEM观察了不同硼掺杂量的Nb/BDD电极的表面形貌. 结果显示, Nb/BDD薄膜表面形貌连续均匀, 晶粒以三角形面和长方形面为主. Nb/BDD电极硼掺杂量的提高使平均晶粒尺寸由3.8 μm降至1.1 μm, 并且晶界开始变得模糊(图1), 与文献[20,21]报道一致. 高硼掺杂对金刚石薄膜的影响主要体现在两个方面: 首先, 它显著提升了金刚石的成核密度; 其次, 在硼浓度过高的生长条件下, 仅有少量硼原子能够成功取代碳原子进入晶格结构, 而大量硼原子会在晶界区域富集. 这种不均匀分布会导致Nb/BDD薄膜产生结构缺陷, 进而破坏其完整性, 最终影响电极的电化学特性[22].
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