硼掺杂金刚石电极的研究和应用

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硼掺杂金刚石(Boron-doped diamond,以下简称BDD)作为一种独特的材料引起了各个领域的密切关注。该材料不但具有金刚石优异的物理化学性能,且金刚石在掺杂了硼之后导电性得到大幅度提升。因此许多专家将其引入电化学领域作为功能电极材料来研究。本文采用热丝化学气相沉积法,在基体单晶硅上沉积制备了硼掺杂金刚石材料。采用激光显微拉曼光谱、电子扫描显微镜、X射线衍射等测试方法对该材料的微观表面形貌及物相组成进行了表征。结果显示金刚石颗粒分布连续,晶型完整,晶粒生长良好。采用探针法测定了BDD材料的电阻率小于0.1Ω·cm,具有较好的导电性,完全符合作为电极材料的基本要求。将硼掺杂金刚石材料制作成BDD电极,并对其进行了电化学基础测试,实验结果表明BDD电极具有优越的电化学性质,如在酸性介质中的析氧电位和电势窗口分别为2.4V vs.NHE和3.1 V vs.NHE,在中性介质中分别为2.1 V vs.NHE和3.4V vs.NHE,在碱性介质中分别为1.1 Vvs.NHE和2.9V vs.NHE,且背景电流较小,化学稳定性较高。通过BDD电极在铁氰化钾溶液中的循环伏安图,表明在电极表面进行的电化学反应具有良好的准可逆性。通过对环己酮、苯酚等有机物的基础电化学反应研究,结果表明BDD电极比传统电极(如二氧化铅电极、石墨电极等)对有机物,尤其是环状有机物具有更好的降解效果。测试了BDD电极电氧化降解环己酮的动力学参数,并通过正交优化试验确定了BDD电极电氧化降解环己酮的最佳反应条件如下:(1)电流密度=5 mA·cm-2;(2)起始环己酮浓度=20 mmol·L-1;(3)pH=7;(4)支持电解质浓度=12 g·L-1,且在该最佳反应条件下COD去除率达到95.1%,电流效率高达85.4%。结合电化学基础研究、高效液相色谱以及气质联用技术分析,对BDD电极电氧化降解环己酮的机理进行分析。BDD电极对环己酮及苯酚的混合有机溶液的降解效果也十分显著,COD去除率最高可达97.9%,电流效率为86.86%。并与传统电极进行了对比,结果表明BDD膜电极在处理工业有机废水中的优势显著。通过电化学测试初步研究了BDD电极电合成高铁酸盐的循环伏安图曲线、交流阻抗图以及相关的动力学参数;结合相关文献,通过正交优化试验确定了双阳极电合成高铁酸盐的较优工艺条件如下:(1)氢氧化钠浓度=14mol·L-1;(2)T=10℃;(3)铁电极电解时间=2h;(4)电流密度=10mA·cm-2,在该优化条件下电解得到高铁酸钠浓度为10.1g·L-1,电流效率为60.7%,并且与传统铁电极电合成高铁酸盐进行对比,表明双阳极电合成高铁酸盐的电流效率更高;初步分析了BDD电极电合成高铁酸盐的反应途径。
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