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    二、功能薄膜/涂层材料在电催化、电分析、电合成等领域电极材料的应用研究

  • (1)硼掺杂金刚石在环境电化学领域的应用研究

    我国被联合国列为全球最缺水的13个贫水国之一,人均淡水占有量仅为世界的1/4,我国每年排放的废水超过数百亿吨,其中有机废水所占比重最大,成为最严重和最难治理的一类废水,提高污水的处理能力,发展高效率、低成本的污水处理技术是保护可再生水资源、循环利用水资源和解决水资源短缺的重要途径,已被列入国家科技重大专项和国家“十三五”生态环境保护规划。传统方法难以处理高浓度、高含盐、高氨氮、高毒性、强酸碱度、难降解的有机废水,电化学氧化技术作为一种环境友好的高级氧化技术,是最具应用前景的难处理有机废水高效降解技术之一。硼掺杂金刚石(BDD)电极因其具有最宽的电化学窗口、极高的析氧电位、极低的背景电流、极好的耐腐蚀性和化学稳定性,被认为是最理想的阳极材料,是近期学者们研究的一个热点电极材料。本方向主要通过提高比表面积、构建三维孔洞、表面修饰等技术调控BDD电极的宏微观结构,并耦合超声、电芬顿、臭氧和光催化等技术,研究BDD电极电催化氧化降解难处理有机废水的“构-效关系”,实现难处理有机废水的高效、低成本降解。本方向代表性论文:Applied Catalysis B Environmental 245 (2019) 420–427和Chemical Engineering Journal 397 (2020) 125465.

    (2)硼掺杂金刚石电化学分析及其传感器件研究

    多巴胺(Dopamine, DA)作为生物体内一种重要的神经递质,在生物体中发挥着重要作用,它影响脑回路的多个方面,如神经元的可塑性、反应组织和应激行为,同时在注意力跨度、学习和记忆中也至关重要,帕金森症、精神分裂症、抑郁症和上瘾行为等病症均与多巴胺的异常分泌有关。糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢性疾病,高血糖则是由胰岛素分泌缺陷或其生物作用受损,或两者兼有引起。糖尿病患者由于血糖浓度长期偏高,致使各种身体组织,如心脏、血管、眼和肾受到长期损害,甚至会导致功能缺失。在过去的数十年里,全球糖尿病的患病率以惊人的速度增长。据估计,到2030年,全球将有3.66亿人患有这种疾病。因此,对生物体内葡萄糖和多巴胺含量的准确测定对于检测和治疗相关疾病具有重大意义。开发一种可穿戴或者可植入式传感器对多巴胺和葡萄糖进行长期监控,结合云计算和大数据分析有利于对相关疾病患者进行精准治疗,是国家“十三五”规划中智慧医疗的重要组成部分,高性能的非酶传感器已成为新一代生物传感器的研究热点。硼掺杂金刚石(BDD)是理想的电极材料,通过表面修饰金属纳米颗粒(如Au、Pt、Ni、Cu等)已获得可满足应用要求的高灵敏度和选择性。本方向利用石墨烯、碳纳米管等碳材料与BDD的高亲和性,通过碳包覆金属纳米颗粒在BDD中的锚定作用,不仅保证高灵敏度和选择性,而且实现长期稳定性。本方向通过研究CVD、磁控溅射和磁电耦合热催化等技术对复合电极微观组织结构的调控机制,阐明复合电极微观组织结构对基础电化学、电极反应微观动力学和检测葡萄糖的影响,以及碳包覆层、金属纳米颗粒和BDD在电化学检测过程中的协同作用机制,实现高性能复合电极的可控制备,为新一代非酶葡萄糖传感器的应用提供理论依据和实验基础。本方向代表性论文:Sensors and Actuators B 242 (2017) 825–834、Electrochimica Acta 271 (2018) 84-91、Biosensors and Bioelectronics 111 (2018) 117-123、Carbon 171 (2021) 16-28.

    (3)硼掺杂金刚石电化学合成臭氧及其器件研究

    臭氧作为一种环保型强氧化剂,它具有强烈的杀菌消毒作用和氧化降解有机污染物的能力,被广泛应用于医疗家庭杀菌消毒、工业废水处理等领域。自1840年Schonbein电解硫酸首次发现臭氧以来,采用电化学方法直接从水溶液中合成臭氧的技术因方法简单、产臭氧纯度高等优点得到了研究者的广泛关注。随着电化学臭氧产生(EOP)系统的发展,固体聚合物电解质膜(PEM)取代传统液体电解质,体系内产生臭氧的电流效率得到很大的提高、能耗降低。开发高催化活性和高稳定性的阳极材料,以实现低能耗、高效率地析出O3成为当前的重要研究方向。得益于BDD饱和的sp3共价键结构,其具有极高的电化学稳定性,即使在加速寿命实验中仍可稳定工作800多小时。同时BDD还具有极高的析氧电位,可抑制EOP过程中析氧副反应的发生。本方向主要通过提高比表面积、构建三维孔洞等技术调控BDD电极的宏微观结构,研究BDD电极产生臭氧的“构-效关系”,实现低能耗、高效率地析出O3。


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