中南大學(xué)在泡沫金剛石研究方面取得新突破

　　【導(dǎo)語】 中南大學(xué)薄膜材料與表面技術(shù)研究團(tuán)隊一直圍繞金剛石涂層在超硬刀具涂層、有機(jī)廢水處理、先進(jìn)熱管理材料和生物傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用開展深入研究，并率先提出采用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法制備泡沫金剛石，在此基礎(chǔ)上制造水處理電極和金剛石增強(qiáng)高導(dǎo)熱復(fù)合材料，最近在這兩個研究方向都取得了突破性進(jìn)展，研究成果接連發(fā)表在國際權(quán)威期刊Applied Catalysis B: Environmental（影響因子11.698）和Applied Energy（影響因子7.9）上。

　　我國每年廢水排放量超過700億噸，電化學(xué)氧化技術(shù)是一種最具潛力的難生化降解有機(jī)廢水處理技術(shù)，技術(shù)核心是電極材料及其制備，摻硼金剛石（BDD）電極是近年來的研究熱點，這類電極具有最寬的電化學(xué)窗口（最高接近4.5V）、極高的析氧電位（最高接近3V）、極好的化學(xué)穩(wěn)定性，可在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高鹽環(huán)境中長時間連續(xù)運行。然而，目前普遍采用封閉型二維平板BDD電極，其比表面積小、傳質(zhì)速率慢，反應(yīng)過程受擴(kuò)散過程控制，液相中的有機(jī)物無法快速地擴(kuò)散至電極表面被直接氧化或被電催化產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性物質(zhì)（如羥基自由基）間接氧化，嚴(yán)重制約了BDD電化學(xué)氧化降解有機(jī)廢水的效率。

　　該團(tuán)隊在國際上首次采用化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)在泡沫鎳上構(gòu)建具有三維網(wǎng)絡(luò)大孔結(jié)構(gòu)的BDD泡沫電極，相較于同尺寸封閉型二維平板電極，BDD泡沫電極不僅電化學(xué)有效活性面積提升了20倍，而且分布均勻、尺寸可調(diào)的三維網(wǎng)絡(luò)孔洞結(jié)構(gòu)可供廢水自由流通，極大地加速了液相與電極表面的對流，提升了液相的傳質(zhì)速率。“大比表面積+高傳質(zhì)速率”的協(xié)同效應(yīng)，極大地提高電極的降解效率，在2.4mA/cm2的小電流密度下，BDD泡沫電極電化學(xué)降解活性藍(lán)19僅1h移出率就超過95%、礦化率超過80%。BDD泡沫電極電化學(xué)性能優(yōu)異，制備方法簡單可重復(fù)，空間利用率高，將若干個BDD泡沫電極組裝在一起，可形成一個質(zhì)量輕、占地面積小、效率高、能耗低的實際廢水處理裝置，在難降解有機(jī)廢水領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。此外，BDD泡沫電極成功制備也將有利于推進(jìn)金剛石在電催化、電合成、電化學(xué)傳感、超級電容等領(lǐng)域的應(yīng)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”，發(fā)表在國際權(quán)威期刊Applied Catalysis B: Environmental（影響因子11.698），2016級碩士研究生梅瑞瓊和魏秋平副教授為共同第一作者，粉末冶金研究院周科朝教授、馬莉副教授和材料科學(xué)與工程學(xué)院魏秋平副教授為共同通訊作者，中南大學(xué)為第一單位。

　　潛熱儲能通過材料發(fā)生相變時吸收或釋放大量熱量，實現(xiàn)能量的儲存和利用，可有效地解決能量供求在空間和時間上不匹配的矛盾，近年來已成為能源存儲和利用領(lǐng)域的研究熱點。但潛熱儲能材料普遍存在熱導(dǎo)率低、換熱性能差等缺點，極大限制了其廣泛應(yīng)用和發(fā)展。該團(tuán)隊首次將高質(zhì)量泡沫金剛石引入到相變材料中，通過在石蠟相變材料中構(gòu)建三維連通的金剛石快速導(dǎo)熱通道，將熱導(dǎo)率從0.25 W/mK提高到6.7W/mK，比石蠟提高了25.8倍。而且，與石墨、碳納米管、石墨烯等高導(dǎo)熱碳材料，泡沫金剛石無明顯的導(dǎo)熱各向異性，復(fù)合材料單位體積增強(qiáng)體對熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)值處于同領(lǐng)域領(lǐng)先水平。

　　研究成果“Thermal conductivity enhancement of phase change materials with 3D porous diamond foam for thermal energy storage”，發(fā)表在國際權(quán)威期刊Applied Energy（影響因子7.9），2016級博士研究生張龍與周科朝教授為共同第一作者，魏秋平副教授為通訊作者，中南大學(xué)為第一單位。

　　該團(tuán)隊在加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究的同時，著眼于國家科技需求，積極響應(yīng)“中國制造2025”和“創(chuàng)新驅(qū)動經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型升級”的號召，圍繞金剛石在污水處理、先進(jìn)熱管理材料、涂層刀具和生物傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用，發(fā)表SCI論文80余篇，申報中國發(fā)明專利32項（已授權(quán)26項），國際PCT發(fā)明專利2項，并成功將相關(guān)研究成果及時進(jìn)行了技術(shù)孵化與應(yīng)用。自主研制的“化學(xué)氣相沉積設(shè)備及其配套技術(shù)”4項專利技術(shù)、“化學(xué)氣相沉積金剛石涂層刀具和模具系列產(chǎn)品及其工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)”5項專利技術(shù)和“廢水處理用硼摻雜金剛石電極及其工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)”3項專利技術(shù)先后完成了技術(shù)孵化，成為目前國內(nèi)唯一一家可實現(xiàn)硼摻雜金剛石電極大面積、規(guī)模化制備的科研單位，相關(guān)裝置和產(chǎn)品已開展規(guī)模化生產(chǎn)和市場推廣。

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