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硼掺杂金刚石（BDD）是污水处理领域的明星材料，其C—C共价键以四面体的形式进行sp3杂化且键能较大，具有高稳定性和高耐腐蚀性。此外，金刚石的表面化学惰性高，对氧分子的吸附性低，具有极高的析氧过电位。B原子掺入金刚石后作为电荷受体，产生有效的空穴掺杂，增加金刚石材料中的载流子数，可使材料表面的电子转移动力速率增加，电化学性能得到改善，而性能的优化程度取决于掺B浓度的大小。然而，对应用于水处理的金刚石阳极材料来说，硼掺杂对其降解性能的影响并非是简单的硼原子越多降解性能越好。硼原子半径大于碳原子半径，金刚石晶格膨胀时会产生拉伸应力。研究表明：首先，相比低掺硼的BDD电极，高掺硼的BDD电极具有更多的杂质相，如sp2相、B聚体等。拉伸应力和杂质相的存在会导致刚性金刚石晶格的恶化，降低BDD电极在进行废水降解时的稳定性。其次，过多的硼掺杂会导致电极析氧过电位的下降，导致电催化过程中的副反应增多，极大地影响电极降解效率。
中南大学材料科学与工程学院魏秋平教授团队在高掺硼浓度范围内（1.21×10_21~ 9.11×10_21 cm_-3）设计了一系列不同掺硼浓度的Si/BDD电极。对电极的微观结构和电化学性能进行表征，并设计活性蓝19模拟废水降解实验。结果表明：当掺硼浓度较高时，金刚石的析氧过电位、电化学活性面积和降解能力会随着硼浓度的升高呈现出先降低后升高再降低的趋势，并且在[B]/[C]=50 000 ppm处实现最高的降解效率。

相关的成果以“Correlation of the role of boron concentration on the micro structure and electrochemical properties of diamond electrodes”为题，发表在Functional Diamond 杂志上。

作者介绍

魏秋平，中南大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，粉末冶金国家重点实验室研究员，功能薄膜涂层与表面技术交叉研究中心负责人。主要从事功能薄膜与涂层材料以及材料表面改性技术研究，参与和主持国家“十三五”重点研发、广东省“十三五”重点研发、湖南省高新技术产业科技创新引领计划、国家自然科学基金等20多个项目。累计发表学术论文140余篇（第一或通讯作者SCI论文100余篇，JCR1区50余篇），申请发明专利90余项（其中PCT国际（美国）发明专利6项，授权中国发明专利36项）。在中国“互联网+”大学生创新创业大赛中先后斩获金奖（中南大学首金）、银奖和铜奖，先后获得中国、湖南省、中南大学“优秀创新创业导师”称号，2012-2020年间先后被评为中南大学“优秀班导师标兵”和“优秀班导师”。在国内外各类学术会议作邀请报告20余次，先后担任中国真空学会薄膜专业委员会委员、中国机械工程学会表面工程分会第六届委员会委员、中国机械工程学会表面工程分会表面技术装备学组特聘专家、中国机械工程学会表面工程分会青年学组特聘专家、深圳市真空技术行业协会专家委员会委员、湖南省机械工程学会摩擦学分会理事、Functional Diamond期刊编委、《金刚石与磨料磨具工程》期刊编委、《表面技术》期刊青年编委、2021年首届全国先进金属功能材料制备/加工及应用技术交流会执行主席、2019~2021年中国环境科学学会学术年会难降解有机废水处理分会主席、2020年第六届全国有色金属结构材料制备/加工及应用技术交流会表面涂层分会主席、2019年特种粉末冶金及复合材料制备加工会议金属基复合材料分会主席等学术兼职。

文献信息

Yinhao Chen, Xiaolei Gao, Guoshuai Liu, Ruitong Zhu, Wanlin Yang, Zhishen Li, Fangmu Liu, Kechao Zhou, Zhiming Yu, Qiuping Wei & Li Ma (2021) Correlation of the role of boron concentration on the microstructure and electrochemical properties of diamond electrodesFunctional Diamond, 1:1, 197-204,DOI: 10.1080/26941112.2021.2017759