Electrochemical Removal of PFAS by Boron-doped Diamond Electrode

doi:10.7503/cjcu20250096

Abstract

Abstract:

In this study， six boron-doped diamond（Nb/BDD） electrodes with different boron doping levels were prepared using niobium flakes as the substrate by microwave plasma chemical vapor deposition， and the effects of different boron doping levels on the electrochemical performance of Nb/BDD electrodes and their oxidation of perfluorooctanoic acid（PFOA） were investigated and applied to the electrochemical removal of different perfluorosulfonic acids（PFASs）. The results showed that with the increase of boron doping level， the grain size of the Nb/BDD film gradually decreased and the electron transfer rate on the electrode surface gradually increased， but the decrease of film quality leads to the increase of its exfoliation rate. Na₂SO₄ was used as the electrolyte， and the Nb/BDD electrode as the anode was able to oxidize PFOA within 120 min at a current density of 30 mA/cm². PFOA degradation rate to 78.3% and mineralization rate to 78.1% within 240 min. Among the six Nb/BDD electrodes prepared with different boron doping levels， the medium and low-doped Nb/BDD electrodes have higher degradation and mineralization ability for PFOA， indicating that the efficient electrochemical removal of PFAS can be achieved by regulating the boron doping level of BDD. The analysis of the degradation products indicated that the electrochemical degradation of PFOA follows the law of carbon chain step-by-step removal， in which the direct electron transfer between the anode and the pollutant is the key initiation step of degradation. The electrochemical degradation of PFSA and perfluorocarboxylic acid（PFCA） with different chain lengths reveals that the length of the carbon chain is positively proportional with the degradation rate and mineralization rate of PFAS， and thus the short-chain products generated by the degradation are the main reason for limiting the complete mineralization of PFAS. In the future， more attention needs to be paid to the efficient removal of short-chain and ultrashort-chain PFAS in order to meet the demand for the complete detoxification of PFAS through electrochemical technologies.

Key words: Perfluorooctanoic compound, Boron-doped diamond electrode, Electrochemical oxidation, New pollution

CLC Number:

O646

TrendMD:

ZHANG Senchong, LYU Jitao, WANG Sen, LYU Jilei, WANG Shaolong, WANG Yawei. Electrochemical Removal of PFAS by Boron-doped Diamond Electrode[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(8): 20250096.

Figures/Tables 10

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Treatment method	Conditions of treatment	Degradation rate（%）	Degradation time/h	Ref.
Sonolysis	700 kHz， 100 W/L	37	5	［29］
Ozonation	With UV 254 nm， TiO₂	99.1	4	［30］
Persulfate oxidation	2 mmol/L Persulfate， 50 ℃， pH=2	89.9	100	［31］
	0.3 mol/L Persulfate， H₂O₂， Fe⁃modified diatomite，	70	6	［32］
Photocatalytic	254 nm， TiO₂， oxalate	90	3.5	［33］
	200—400 nm， Sb₂O₃⁃TiO₂	81.7	2	［34］
	254 nm， Ti₃C₂/TiO₂	70	8	［35］
Electrochemical	Ti， 1.4 g/L NaClO₄，	0	3	［36］
	Nb/BDD， 21.4 mA/cm²， 14.2 g/L Na₂SO₄ Pb/Ti₄O₇， 10 mA/cm²， 50 mmol/L Na₂SO₄， 50 mg/L PFOA	97.3 86.7	4 0.5	［37］［38］

Treatment method	Conditions of treatment	Degradation rate（%）	Degradation time/h	Ref.
Sonolysis	700 kHz， 100 W/L	37	5	［29］
Ozonation	With UV 254 nm， TiO₂	99.1	4	［30］
Persulfate oxidation	2 mmol/L Persulfate， 50 ℃， pH=2	89.9	100	［31］
	0.3 mol/L Persulfate， H₂O₂， Fe⁃modified diatomite，	70	6	［32］
Photocatalytic	254 nm， TiO₂， oxalate	90	3.5	［33］
	200—400 nm， Sb₂O₃⁃TiO₂	81.7	2	［34］
	254 nm， Ti₃C₂/TiO₂	70	8	［35］
Electrochemical	Ti， 1.4 g/L NaClO₄，	0	3	［36］
	Nb/BDD， 21.4 mA/cm²， 14.2 g/L Na₂SO₄ Pb/Ti₄O₇， 10 mA/cm²， 50 mmol/L Na₂SO₄， 50 mg/L PFOA	97.3 86.7	4 0.5	［37］［38］