三维互穿网络结构硼掺杂金刚石阳极的创制及其高效降解难降解有机污染物的机制研究

为解决传统平面硼掺杂金刚石(BDD)阳极电活性表面积小、电子/传质速率慢导致的降解效率低、能耗高问题，研究人员创新性地以多层钛编织/拉伸网为基底框架，制备出具有分级多孔结构的三维互穿网络TWM/BDD和TSM/BDD电极。研究表明，新型电极电活性面积提升12.5-13.9倍，电子转移电阻降至6%-15%，罗丹明B降解速率常数提高3.7-4.9倍且能耗降低65%-75%，为高性能电极结构设计提供了新思路。

　　

随着工业化和城市化进程加速，难降解有机污染物已成为全球水环境治理的顽疾。这类物质具有分解难度大、毒性高、易蓄积等特点，广泛存在于生活污水、工业废水和城市径流中。传统处理方法往往效率低下，而基于高性能阳极的电化学氧化技术因其环境友好、高效可控等优势崭露头角。在众多电极材料中，硼掺杂金刚石(Boron-doped diamond, BDD)因其卓越的催化效率、超长使用寿命和出色安全性，被视为处理难降解污染物的理想选择。然而，传统平面BDD电极面临电活性表面积有限、电子传输和液相传质缓慢等瓶颈，严重制约了其实际应用效能。

针对这一挑战，西南科技大学的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表创新成果。该研究首次采用烧结多层钛网作为基底框架，通过热丝化学气相沉积(Hot Filament Chemical Vapor Deposition, HFCVD)技术，成功制备出两种具有三维互穿网络结构的新型BDD电极——TWM/BDD（钛编织网基底）和TSM/BDD（钛拉伸网基底）。研究人员通过系统表征电极的宏微观结构，测定电化学参数，并选取典型污染物罗丹明B(Rhodamine B, RhB)进行降解实验，结合自由基淬灭和中间产物分析，深入揭示了三维BDD电极的性能增强机制与污染物降解路径。

关键技术方法包括：采用多层钛编织/拉伸网经堆叠-压制-真空烧结制备三维基底；通过HFCVD技术沉积BDD涂层；运用扫描电镜(SEM)和拉曼光谱进行形貌表征；通过循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)测定电化学性能；建立RhB降解动力学模型并计算电能消耗；利用液相色谱-质谱(LC-MS)鉴定降解中间体。

微观结构表征
SEM显示TWM/BDD和TSM/BDD具有独特的层级多孔结构，孔径分布分别为50-200μm和100-300μm。拉曼光谱证实所有电极均呈现典型的金刚石特征峰(1332 cm^-1)和硼掺杂引起的宽峰(1200-1300 cm^-1)，其中三维电极的sp³碳含量更高，表明更优异的结晶质量。

电化学性能提升
三维电极展现出显著增强的电活性表面积（TWM/BDD 17 cm²，TSM/BDD 15.32 cm²，TP/BDD仅1.22 cm²），电子转移电阻分别降至平面电极的6%和15%。传质系数达到3.8倍和1.8倍的提升，这归因于三维互穿网络结构促进了电解液渗透和气泡释放。

污染物降解效能
在5V电压下，TWM/BDD和TSM/BDD对RhB的伪一级反应速率常数分别达到平面电极的4.9倍和3.7倍，电能消耗仅为25%和35%。机理研究表明，·OH介导的间接氧化是主要降解途径，RhB经历脱乙基化、脱氨基、共轭发色团裂解、开环和矿化的逐步转化过程。

该研究通过创新性的三维电极结构设计，成功突破了传统BDD阳极的性能瓶颈。烧结钛网基底不仅成本低廉且易于工业化生产，其三维互穿网络结构更实现了电活性位点数量、导电性和传质效率的协同提升。研究结果为高性能电化学水处理电极的设计提供了新范式，对推动难降解有机污染物的高效低耗处理具有重要实践意义。论文中建立的电极结构-性能关系模型，以及RhB降解路径的详细解析，为后续研究奠定了理论基础。特别值得注意的是，三维BDD电极在50次循环后仍保持90%以上的降解效率，展现出优异的稳定性，这为其实际工程应用提供了有力支撑。