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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）

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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.

Fig.5 Degradation rate(A) and TOC removal rate(B) of PFOA at different current densities

正文中引用本图/表的段落

电流密度是影响污染物电化学氧化的重要参数，其通过影响体系中电子传递速率、 ?OH和SO

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-等自由基的生成速率来改变PFOA的降解及矿化率. 较低的电流密度会影响PFOA分子向阳极的转移速率，而较高的电流密度则会造成析氧副反应的加剧，大量的气泡附着在阳极表面导致活性位点减少，同时还会产生不必要的能耗. 因此，选取适当的电流密度对于污染物的电化学降解至关重要. 为了便于研究PFOA的矿化率和中间产物，选取10 mg/L作为PFOA的初始浓度，选取0.05 mol/L Na₂SO₄为电解质，采用Nb/BDD₂作为阳极，探究电流密度对PFOA电化学降解及矿化的影响（图5）. 结果显示， PFOA的降解率随电流密度的增大而增大，随着电流密度由10 mA/cm2增加到40 mA/cm2， PFOA的降解率在120 min内由65.4%增加到84.7%［图5（A）］.

为了进一步研究Nb/BDD电极对PFOA的矿化性能，在10~40 mA/cm2的范围内，测定了PFOA在降解过程中TOC去除率. TOC的去除意味着PFOA完全降解为CO₂，表明其被彻底矿化去除. 在 40 mA/cm2条件下， PFOA在120 min内的降解率和矿化率分别为84.7%和48.7%，降解率约为矿化率的1.7倍，表明电化学氧化PFOA首先产生大量的中间产物，而这些中间产物无法在120 min内完全矿化. 通过延长电化学的降解时间， PFOA的矿化率可提高至86.3%［图5（B）］，表明利用BDD电化学氧化处理可以实现PFAS的彻底去除. 上述结果也说明仅通过目标物的降解率无法准确评估PFAS的去除效果. 进一步比较了不同降解技术对10 mg/LPFOA的降解效果［29~38］（表1），可以看出，与超声波以及光催化降解等破坏性技术相比，电化学降解技术可以在更短的时间内对PFOA达到更高的降解率，进而为PFAS的处理提供一个高效且环保的技术方案.

Nb/BDD， 21.4 mA/cm2， 14.2 g/L Na₂SO₄ ...

... ［37］ ...

... 为了进一步研究Nb/BDD电极对PFOA的矿化性能，在10~40 mA/cm2的范围内，测定了PFOA在降解过程中TOC去除率. TOC的去除意味着PFOA完全降解为CO₂，表明其被彻底矿化去除. 在 40 mA/cm2条件下， PFOA在120 min内的降解率和矿化率分别为84.7%和48.7%，降解率约为矿化率的1.7倍，表明电化学氧化PFOA首先产生大量的中间产物，而这些中间产物无法在120 min内完全矿化. 通过延长电化学的降解时间， PFOA的矿化率可提高至86.3%［图5（B）］，表明利用BDD电化学氧化处理可以实现PFAS的彻底去除. 上述结果也说明仅通过目标物的降解率无法准确评估PFAS的去除效果. 进一步比较了不同降解技术对10 mg/LPFOA的降解效果［29~38］（表1），可以看出，与超声波以及光催化降解等破坏性技术相比，电化学降解技术可以在更短的时间内对PFOA达到更高的降解率，进而为PFAS的处理提供一个高效且环保的技术方案. ...

本文的其它图/表