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掺硼金刚石(BDD)电极:一种全新的废水处理解决方案

时间:2024-07-05浏览次数:171

随着社会的快速发展,各行业的污水排放量日益增加,污染物成分也越来越复杂 。如何处理这些污水,成了全人类共同面对的巨大挑战。掺硼金刚石(BDD)电极的出现,为废水处理提供了一项全新的解决方案。


金刚石,作为自然界中热导率最高、最坚硬的材料之一,其诸多优良特性一直以来备受关注。然而,金刚石本征电阻可达到 1016 Ω∙cm,是一种性能优良的绝缘材料,限制了其在电化学应用中的潜力。通过精确控制硼原子的掺杂,可以显著提升金刚石的电导率,使其转变为半导体,甚至在某些条件下表现出超导特性。

 

目前,常用的污水处理方式包括物理法、化学法以及生化法。但传统处理方法在面对污染物成分复杂、污染物浓度高以及具有生物毒性的污水时,往往无法对污水进行有效的降解处理。同时,传统的污水处理方法还面临处理周期长、设备投资大以及引入其他污染物等问题。

 

电化学高级氧化工艺( electrochemical advanced oxidation processes,EAOP)作为一种新型污水处理工艺,由于其具有所需设备简单、操作容易、控制方便、适用范围广、无需添加化学试剂等优点被视为一种极具应用潜力的污水处理工艺。电化学高级氧化工艺的核心在于阳极材料。常用的阳极材料包括石墨电极、金属电极(Cu、Pb 等)、金属氧化物电极(MnO2、RuO2、NiO 等) 以及掺硼金刚石(boron doped diamond, BDD)电极。其中,BDD 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,在污水处理中具有广阔的应用前景,成为近年来的研究热点。

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BDD 是金刚石中一部分碳原子被硼原子取代的金刚石材料。当硼原子掺杂进入金刚石中,金刚石从绝缘体转变为半导体。这是由于硼原子进入金刚石晶格后产生空穴载流子,使之成为空穴型半导体或 P 型半导体。随着硼掺杂浓度的增加,金刚石中的空穴浓度随之增加,载流子浓度增加,导电性能提升。但当金刚石中的硼原子浓度过高时,则会破坏金刚石的结构,导致金刚石的导电性能大幅降低。在通电条件下,BDD 表面会将水中的有机物直接或者间接地氧化成无毒无害的无机物。

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随着技术的革新,BDD电极在各种废水处理场景中都有应用,包括染料、造纸、制革、农药、制药、石化、制酒甚至市政污水处理等。在每种情况下,BDD电极都能高效分解复杂的有机化合物,确保高效而彻底地降解。

 

化合积电致力于金刚石材料的研究与生产,核心产品包括金刚石热沉片、晶圆级金刚石、金刚石窗口片、金刚石异质集成复合衬底等,其中掺硼金刚石(BDD)电极更是在废水处理领域,提供了一种先进的解决方案,具有高效率、低能耗和卓越的电催化性能等特点。

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