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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.7 Pictures of Nb/BDD film exfoliation and their fitting plots(red for exfoliated portion, black for non⁃exfoliated portion)(A) and shedding rates(B) of the six Nb/BDD electrodes
正文中引用本图/表的段落
BDD电极对PFOA的电化学氧化受到析氧电位、 电子转移速率以及表面活性位点等多因素共同调控. 随着硼掺杂量的提高, 电极电子转移速率的提升可降低电荷传递阻力, 促进 · OH生成, 从而有利于·OH 介导的PFOA间接氧化. 但过高的硼掺杂量会降低BDD电极的析氧电位, 导致在高电位下析氧副反应竞争性消耗活性位点, 从而抑制PFOA的降解. 此外, 过量的硼掺杂可能引发晶格畸变或缺陷, 降低BDD电极结晶质量[图7(A)], 从而使BDD薄膜脱落率升高[图7(B)], 影响电极的寿命. 综合考虑电极的稳定性及其对PFOA的降解和矿化率, 显示Nb/BDD2电极的效果最佳.
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