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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.2 Raman spectra of Nb/BDD electrodes with different boron doping levels
正文中引用本图/表的段落
图2为不同硼掺杂量的Nb/BDD电极的Raman光谱图. 可以看出, 所有电极在1327~1332 cm-1范围内均出现了金刚石的特征峰, 代表金刚石晶格中碳的正四面体结构(sp3). 随着掺硼水平的增加, 金刚石特征峰向低波段发生偏移, 其峰强度减小且峰形的不对称性增加, 这是由于随着掺硼量的增加, 更多的硼原子取代碳原子导致金刚石结构发生变化[23], 这与SEM观察到的金刚石晶粒尺寸降低的现象一致. 与此同时, 由于掺入的硼原子半径大于碳原子, 引起声子散射或与硼原子有关的电子发生跃迁以及远布里渊区中心声子的拉曼散射, 表现在拉曼光谱中会在480和1220 cm-1左右出现新的特征峰[24]. 从图2可以看出, Nb/BDD1的硼掺杂特征峰不明显, 这可能是由于其硼掺杂量较低导致的. 其它Nb/BDD电极都显示出明显的硼掺杂特征峰, 表明硼原子已掺杂进金刚石晶格当中. 在1500~1600 cm-1范围内的宽峰来自晶界处的sp2石墨碳相[25], 随着制备过程中C/B的降低, 石墨碳相减少, 这是由于低掺杂Nb/BDD电极在晶界处更容易形成石墨碳相杂质所导致, 此种现象在先前的研究中被广泛观察到[22,26].
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