掺硼金刚石复合电极材料的制备及性能研究

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本文以高温高压工艺生产的掺硼金刚石(Boron-doped Diamond,BDD)粉体为原料,分别选择由Al粉,B粉和C粉按照3:1:3摩尔比混合的Al-B-C体系烧结助剂以及Ti和C粉按照1:1摩尔比混合的Ti C烧结助剂与BDD微粉混合,采用高温高压工艺结合烧结助剂的原位反应制备出致密的Al3BC3/BDD复合材料和Ti C/BDD复合材料。通过研究原料配方、烧结工艺对所制备的复合材料的物相组成、显微结构、电学和电化学性能的影响,为制备出化学稳定性强、电学性能和电化学性能优异的复合电极材料提供技术支持。同时用所制备的BDD复合材料作为阳极材料,利用电化学氧化技术进行了模拟废水降解实验,探究了两类BDD电极最佳的污水处理工艺参数。以所制备的BDD复合材料作为电极材料,自主设计并制造出灵活简便易操作的污水处理装置,测试了其污水处理的功能,为BDD电极的大范围推广应用打下基础。具体研究结果如下:(1)分别将5 wt.%~15 wt.%的Al-B-C体系烧结助剂与BDD微粉混合,采用六面顶压机在1450 oC烧结温度、保温300 s、烧结压力为5.5 GPa的条件下制备出致密的Al3BC3/BDD复合材料。烧结助剂在烧结过程中发生原位反应生成Al3BC3和Al4C相,可以促进BDD的致密化。含有10 wt.%烧结助剂的Al3BC3/BDD复合材料有最低的电阻率(4.40×10-4Ω·m)和最高的空穴浓度(4.55×1023 m-3)。该电极在0.1 mol/L H2SO4、0.1 mol/L Na2SO4和0.1 mol/L Na OH电解质中的电化学势窗分别为1.9 V,2.9 V和2.3 V;而且该复合电极的电子传递系数接近0.5,说明其具有良好的可逆性。(2)分别将10 wt.%~30 wt.%的Ti C烧结助剂与BDD微粉混合,采用六面顶压机在1600℃烧结温度保温300 s、烧结压力为5.5 GPa的条件下制备出致密的Ti C/BDD复合材料。含有30 wt.%烧结助剂的Ti C/BDD复合材料具有最佳的电学和电化学性能,其电阻率为2.44×10-4Ω·m,空穴浓度为5.17×1025m-3,霍尔迁移率为7.30×10-4 m2/v·s,在0.1 mol/L H2SO4、0.1 mol/L Na2SO4和0.1 mol/L Na OH电解质中的电化学势窗分别为3.63 V,2.83 V和1.91 V。同时由循环伏安法对其进行电化学表征,发现其具有较好的可逆性和电催化活性。(3)分别选择Al3BC3/BDD复合电极和Ti C/BDD复合电极作为阳极材料对亚甲基蓝模拟染料废水进行电化学氧化降解实验,分析不同电解质、电解质p H、电流密度等因素对复合电极处理效率的影响。结果表明,在碱性条件下,以3 g/L的Na Cl为支撑电解质,电流密度设定为80 m A/cm2,可以使Al3BC3/BDD复合电极具有最高的处理效率,在120 min时间内将亚甲基蓝完全降解。以3 g/L的Na Cl为支撑电解质,电流密度设定为60 m A/cm2,可以使Ti C/BDD复合电极具有最高的处理效率,在90 min时间内将亚甲基蓝完全降解。(4)设计并组装以BDD复合材料为电极的污水处理装置,装置装载有供电单元、避障模块、蓝牙模块、电量监测器、GPS模块、电极模块和动力模块,可实现自动避障、GPS定位、电量监控、远程控制和最重要的水体净化等功能。同时,使用安装不同核心电极的装置处理5 L化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)为5350 mg/L工业废水,Al3BC3/BDD复合电极和Ti C/BDD复合电极在可将其在360 min内分别降解95.1%和99.6%。
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