硼掺杂金刚石薄膜电极制备及有机物降解效能评价

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电极是电化学水处理技术中的核心,影响着电化学水处理的效果和成本。其中,硼掺杂金刚石薄膜电极因其优异的物理性质、电化学性质及高催化活性而备受广大学者的关注。本论文以直流热阴极CVD技术制备而成的硼掺杂金刚石薄膜电极为阳极材料,以该电极在有机物降解方面的应用为主要研究内容,开展了电极制备、表征及电催化降解有机物苯酚和双酚A的研究,分析了影响电催化活性的主要因素,并对相应的电化学降解历程、电催化反应机理进行了探讨。本论文采用直流热阴极CVD技术,以p型单晶硅为基体,H2、CH4为反应气体,B(OCH33为掺杂剂,在CH4:H2:B(OCH33流量比为5:190:10、基片温度为1000℃的条件下制备了BDD电极。通过SEM、Raman和XRD对薄膜进行表征,研究表明,该条件下制得的电极表面致密、均匀,晶形完整,金刚石纯度高,表面无龟裂现象。分别以苯酚和内分泌干扰物双酚A为目标有机物,考察了初始目标物浓度、反应电流密度及溶液初始pH值对电催化速率的影响。结果发现,BDD电极电催化氧化有机污染物符合一级反应动力学模型,反应速率受电流密度的影响最大,其次是初始浓度和初始pH值对反应速率的影响。此外,上述三个电解条件对反应溶液的电流效率也有不同程度的影响。利用HPLC、GC-MS等检测手段对苯酚和双酚A在BDD电极上的电化学降解反应中间产物进行了检测,进而推断出了二者在BDD电极上的电化学降解历程。结果表明,与直链有机酸相比,BDD电极对具有环状结构的芳香族有机物具有较高的电催化活性,电化学降解过程中,产生的环状中间产物种类少,积累情况不明显,而酸性有机物电化学降解较慢,致使反应液长时间的维持在酸性环境下。因此,该电极能够实现难降解有机物的快速转化,便于后续生物处理。在苯酚溶液中对BDD电极采用电化学循环伏安法(CV),分析电极发生的直接电催化氧化情况,结果表明,苯酚在该电极上发生的是不可逆反应,且反应以扩散过程控制为主。实际应用时可通过改善传质效果等方式来加强反应效果,提高反应效率。
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