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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.3 Cyclic voltammograms in 0.5 mol/L H2SO4 of Nb/BDD electrodes
正文中引用本图/表的段落
为了表征Nb/BDD电极的析氧电位, 使用0.5 mol/LH2SO4对Nb/BDD电极进行循环伏安测试. 由 图3可知, Nb/BDD1~Nb/BDD6电极的析氧电位分别为2.69, 2.67, 2.59, 2.61, 2.52和2.49 V(vs. Ag/AgCl), 与文献[8]报道的BDD电极一致, 明显高于其它电极材料(如Pt, IrO2等), 这是BDD电极独有的优势之一. 随着硼掺杂水平的提升, Nb/BDD电极的析氧电位呈现下降趋势. 造成这种现象的原因可能是, 随着硼掺杂水平的提升, 电极表面会形成更多的富硼活性位点, 这些位点对水分子表现出更强的吸附能力, 从而更加有利于析氧副反应的发生[27]. 此外, 高硼掺杂还会导致金刚石晶粒尺寸减小和晶界密度增加, 进而增大了电极的活性表面积, 更多的 · OH能够吸附在电极表面, 同时高掺BDD电导率的提升减少了其电极内部的欧姆损耗, 使得析氧副反应能在更低的过电位下发生[28]. 最后, 6种电极均拥有较宽的电位窗口(>3 V)以及极低的背景电流, 从而进一步证实了BDD电极在电化学应用方面的优越性.
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