中南大学在泡沫金刚石研究方面取得新突破

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  我国每年废水排放量超过700亿吨,电化学氧化技术是一种最具潜力的难生化降解有机废水处理技术,技术核心是电极材料及其制备,掺硼金刚石(BDD)电极是近年来的研究热点,这类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3V)、极好的化学稳定性,可在强酸、强碱、高盐环境中长时间连续运行。然而,目前普遍采用封闭型二维平板BDD电极,其比表面积小、传质速率慢,反应过程受扩散过程控制,液相中的有机物无法快速地扩散至电极表面被直接氧化或被电催化产生的强氧化性物质(如羟基自由基)间接氧化,严重制约了BDD电化学氧化降解有机废水的效率。

  该团队在国际上首次采用化学气相沉积(CVD)技术在泡沫镍上构建具有三维网络大孔结构的BDD泡沫电极,相较于同尺寸封闭型二维平板电极,BDD泡沫电极不仅电化学有效活性面积提升了20倍,而且分布均匀、尺寸可调的三维网络孔洞结构可供废水自由流通,极大地加速了液相与电极表面的对流,提升了液相的传质速率。“大比表面积+高传质速率”的协同效应,极大地提高电极的降解效率,在2.4mA/cm2的小电流密度下,BDD泡沫电极电化学降解活性蓝19仅1h移出率就超过95%、矿化率超过80%。BDD泡沫电极电化学性能优异,制备方法简单可重复,空间利用率高,将若干个BDD泡沫电极组装在一起,可形成一个质量轻、占地面积小、效率高、能耗低的实际废水处理装置,在难降解有机废水领域具有十分广阔的应用前景。此外,BDD泡沫电极成功制备也将有利于推进金刚石在电催化、电合成、电化学传感、超级电容等领域的应用。

  研究成果“3D macroporous boron-doped diamond electrode with interconnected liquid flow channels: A high-efficiency electrochemical degradation of RB-19 dye wastewater under low current”,发表在国际权威期刊Applied Catalysis B: Environmental(影响因子11.698),2016级硕士研究生梅瑞琼和魏秋平副教授为共同第一作者,粉末冶金研究院周科朝教授、马莉副教授和材料科学与工程学院魏秋平副教授为共同通讯作者,中南大学为第一单位。

  潜热储能通过材料发生相变时吸收或释放大量热量,实现能量的储存和利用,可有效地解决能量供求在空间和时间上不匹配的矛盾,近年来已成为能源存储和利用领域的研究热点。但潜热储能材料普遍存在热导率低、换热性能差等缺点,极大限制了其广泛应用和发展。该团队首次将高质量泡沫金刚石引入到相变材料中,通过在石蜡相变材料中构建三维连通的金刚石快速导热通道,将热导率从0.25 W/mK提高到6.7W/mK,比石蜡提高了25.8倍。而且,与石墨、碳纳米管、石墨烯等高导热碳材料,泡沫金刚石无明显的导热各向异性,复合材料单位体积增强体对热导率的贡献值处于同领域领先水平。

  研究成果“Thermal conductivity enhancement of phase change materials with 3D porous diamond foam for thermal energy storage”,发表在国际权威期刊Applied Energy(影响因子7.9),2016级博士研究生张龙与周科朝教授为共同第一作者,魏秋平副教授为通讯作者,中南大学为第一单位。

  该团队在加强应用基础研究的同时,着眼于国家科技需求,积极响应“中国制造2025”和“创新驱动经济发展转型升级”的号召,围绕金刚石在污水处理、先进热管理材料、涂层刀具和生物传感器等领域的应用,发表SCI论文80余篇,申报中国发明专利32项(已授权26项),国际PCT发明专利2项,并成功将相关研究成果及时进行了技术孵化与应用。自主研制的“化学气相沉积设备及其配套技术”4项专利技术、“化学气相沉积金刚石涂层刀具和模具系列产品及其工业化生产技术”5项专利技术和“废水处理用硼掺杂金刚石电极及其工业化生产技术”3项专利技术先后完成了技术孵化,成为目前国内唯一一家可实现硼掺杂金刚石电极大面积、规模化制备的科研单位,相关装置和产品已开展规模化生产和市场推广。

  论文链接:

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092633731831227X

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