超硬材料网

       中南大学功能薄膜涂层与表面技术交叉研究中心团队一直致力于金刚石薄膜在超硬刀具涂层、有机废水处理、先进热管理材料和生物传感器等领域的应用和基础研究。最近，该团队在前期已有基础上，在水处理电极和生物传感电极方面取得进展。

       1、电化学氧化技术

       电化学氧化技术（Electrochemical oxidation）是一种最具潜力的难生化降解有机废水处理技术，技术核心是高性能的阳极材料及其制备技术，掺硼金刚石（BDD）电极是近年来的研究热点，这类电极具有最宽的电化学窗口（最高接近4.5V）、极高的析氧电位（最高接近2.8V）、极好的化学稳定性，可在强酸、强碱、高盐环境中长时间连续稳定运行。

我国每年废水排放量超过700亿吨

       目前普遍采用封闭型二维平板BDD电极，其比表面积小、传质速率慢，反应过程受扩散过程控制，液相中的有机物无法快速地扩散至电极表面被直接氧化或被电催化产生的强氧化性物质（如羟基自由基）间接氧化，而羟基自由基的淬灭时间非常快（介于微秒~纳秒之间），导致羟基自由基利用率很低，严重制约了BDD电化学氧化降解有机废水的效率。

       该团队前期针对该问题首次提出采用化学气相沉积（CVD）技术在泡沫金属表面构建具有三维网络大孔结构的BDD泡沫电极，相较于同尺寸封闭型二维平板电极，BDD泡沫电极不仅电化学有效活性面积大幅提升，而且分布均匀、尺寸可调的三维网络孔洞结构可供废水自由流通，极大地加速了液相与电极表面的对流，大幅提升了液相的湍动能和传质速率（Applied Catalysis B: Environmental 245 (2019) 420–427, IF:19.503; Chemical Engineering Journal 397 (2020)125465. IF:13.273）。

       最近，针对泡沫金属镍或铜的稳定性均有待提高的问题，该团队提出采用3D打印技术，构建形状可控、耐腐蚀的三维网路钛衬底，开发了大比表面积、高传质速率、强耐腐蚀性的三维网络硼掺杂金刚石水处理电极，该电极不仅降解效率相较于平板电极大幅提高，而且由于金属钛优异的耐腐蚀特性，加速寿命实验表明该电极展现出了极强的稳定性。

3D BDD 水处理电极：制备和应用

       研究成果“3D-Printed Highly Ordered Ti Networks-Based Boron-Doped Diamond: An Unprecedented Robust Electrochemical Oxidation Anode for Decomposition of Refractory Organics”，发表在国际权威期刊Chemical Engineering Journal（IF:13.273），博士研究生李海超和杨万林为共同第一作者，粉末冶金研究院周科朝教授、马莉副教授和材料科学与工程学院魏秋平教授为共同通信作者，中南大学为第一单位。

       2、多巴胺

多巴胺（Dopamine）是一种重要的神经递质，其脑内含量与帕金森病、阿尔兹海默症等神经类疾病息息相关。

由于多巴胺浓度较低且变化很大，其检测始终是一个巨大的挑战。高选择性、高灵敏度、高稳定性的检测手段是解决这一难题的关键，电化学检测方法相较于高效液相色谱法和微透析等具有更好的时间和空间分辨率，但是对于存在强干扰物质的多巴胺检测仍然存在选择性和灵敏度不足等问题。

基于此，该团队首次提出将金刚石电极刻蚀成纳米孔结构，然后在孔内进一步修饰超导纳米碳黑，该策略在大大增加电极活性的同时，还可以很好地通过锚定的方式固定住纳米颗粒，从而物理性地阻止纳米颗粒的团聚失效、增强电极的稳定性，最后使用离子交换膜在电极外层对多巴胺强干扰物抗坏血酸进行排斥，最终实现多巴胺高灵敏度的选择性检测。

基于金刚石薄膜的多巴胺传感器机理示意图和检测干扰机制

        研究成果“A Novel Modification to Boron-Doped Diamond Electrode for Enhanced, Selective Detection of Dopamine in Human Serum”，发表在国际期刊CARBON 171 (2021) 16-28（IF:9.594），博士研究生李海超和粉末冶金研究院周科朝教授为共同第一作者，中科院宁波材料所林正得教授、英国华威大学的Sharel E. Pei博士以及中南大学材料科学与工程学院魏秋平教授为共同通信作者，中南大学为第一单位。该论文目前为ESI高被引论文。

        该团队在加强应用基础研究的同时，着眼于国家科技需求，积极响应“中国制造2025”和“创新驱动经济发展转型升级”的号召，围绕金刚石在污水处理、先进热管理材料、涂层刀具和生物传感器等领域的应用，发表SCI论文140余篇，申报中国发明专利80余项（已授权39项），国际PCT发明专利6项，并成功将相关研究成果及时进行了技术孵化与应用。