掺硼金刚石（BDD）电极介绍

文章摘录

  随着现代经济和社会的快速发展，各行业的污水排放量日益增加，污染物成分也越来越复杂 ，对人体健康和生态环境都产生了巨大的破坏。如何处理这些污水，成了全人类共同面对的巨大挑战。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***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***应用潜力的污水处理工艺。电化学***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***有电化学势窗宽、背景电流小、介电常数低、可逆性好、空穴迁移率高等特点，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。

  BDD 是金刚石中一部分碳原子被硼原子取代的金刚石材料。因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。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。

掺硼金刚石污水处理原理图

掺硼金刚石电极的制备方法

高温高压法

  高温高压法（high temperature high pressure，HPHT）是一种常用的人造金刚石合成方法。使用高温高压法制备 BDD 时，金刚石颗粒通常需要在金属溶剂的环境下析出，导致所制备得到的金刚石往往以微粉的形式存在，需进一步烧结成形才能作为电极材料使用。

因此，关于高温高压法制备 BDD 电极的报道相对较少。

化学气相沉积法

  化学气相沉积法所制备得到的 BDD 膜性能稳定，硼原子的掺杂浓度可控。同时，化学气相沉积技术所制备得到的 BDD 膜可直接作为膜电极使用常见的化学气相沉积法包括热丝化学气相沉积法（hot filament chemical vapor deposition technology, HFCVD）以及微波等离子体化学气相沉积法（microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD）

HFCVD 具有操作方便、设备简单等优点，适用于大尺寸 BDD 膜电极的制备。

MPCVD 则是通过微波能量将气体原料激发为等离子体，从而沉积在基底材料上形成 BDD 膜。采用 MPCVD 制备得到的 BDD 膜纯度高，性能优异。但是 MPCVD 设备价格高昂，导致其所制备的 BDD 膜电极成本也相对较高。

总结与展望

  BDD 电极作为一种新型的污水处理电极，具有极为广阔的应用前景。然而，BDD 电极的实际应用需要建立在具有低成本、良好稳定性等的 BDD 电极的制备的基础之上。

  行业分析人士表示，近年来，由于新冠疫情爆发，居民对公共医疗卫生安全、饮水健康的重视度提升，医疗废水处理、家庭净水需求随之增长，掺硼金刚石电极作为***潜力的新型电极材料，在此背景下，市场也将迎来良好发展时机。洛阳誉芯金刚石与您共同探索金刚石的更多潜在应用。

来源 ：

李莲莲， 陈冠钦：《高性能掺硼金刚石电极的研究进展》DOI码10.13394/j.cnki.jgszz.2021.5005

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