본 연구에서 우리는 보론 도핑된 다이아몬드 나노물질을 이용하여 유연성 탄소 섬유 기반의 전극(CF-BDD 전극)을 개발하고, 이를 비효소적 글루코스 센서에 적용하여 전기화학적 특성을 확인하였다. 이 전극은 탄소 섬유 표면에 정전하 자기조립법을 이용하여 BDD 층을 증착하여 제작하였다. 이 전극 물질의 표면 구조는 주사전자 현미경(SEM)을 이용하여 분석하였으며, 전기화학적 특성 및 센싱 성능 분석은 시간대전류법(CA)와 순환전압 전류법(CV), 전기화학 임피던스(EIS)으로 실행하였다. 제작된 CF-BDD 전극은 산화-환원 화학종과 전극 계면 간의 effective direct electron transfer와 large effective surface area, high catalytic activity의 우수한 특성들을 보였다. 결과적으로, CF 센서와 비교에서 CF-BDD 센서는 더 넓은 선형 농도 범위(3.75~50 mM)와 더 빠른 감응 시간(3초 이내), 더 높은 감도(388.8 nA/mM) 등의 향상된 센싱 특성을 보였다. 따라서, 본 연구에서 개발된 전극 물질은 다양한 전기화학 센서 뿐 아니라, 웨어러블 센서 소재로도 활용 가능할 것으로 기대된다.
Stability and activity of boron doped diamond (BDD) electrode are key factors for water treatment. In this study, BDD electrodes were prepared on various substrates such as Nb, Si, Ti, and $TiN_x/Ti$ by hot filament chemical vapor deposition (HFCVD) method. BDD/Ti film showed the delamination between BDD and Ti substrate due to the formation of TiC layer caused by diffusion of carbon. On the other hand, $BDD/TiN_x/Ti$ showed remarkably improved stability, compared to BDD/Ti. It was confirmed that $TiN_x$ intermediate layer act as barrier layer for diffusion of carbon. High potential window of 2.8 eV was maintained on the $BDD/TiN_x/Ti$ electrode and, better wastewater treatment capability and longer electrode working life than BDD/Nb, BDD/Si and BDD/Ti were obtained.
Boron-doped diamond (BDD) electrode has an extremely wide potential window in aqueous and non-aqueous electrolytes, very low and stable background current and high resistance to surface fouling due to weak adsorption. These features endow the BDD electrode with potentially wide electrochemical applications, in such areas as wastewater treatment, electrosynthesis and electrochemical sensors. In this study, the characteristics of the BDD electrode were examined by scanning electron microscopy (SEM) and evaluated by accelerated life test. The effects of manufacturing conditions on the BDD electrode were determined and remedies for negative effects were noted in order to improve the electrode lifetime in wastewater treatment. The lifetime of the BDD electrode was influenced by manufacturing conditions, such as surface roughness, seeding method and rate of introduction of gases into the reaction chamber. The results of this study showed that BDD electrodes manufactured using sanding media of different sizes resulted in the most effective electrode lifetime when the particle size of alumina used was from $75{\sim}106{\mu}m$ (#150). Ultrasonic treatment was found to be more effective than polishing treatment in the test of seeding processes. In addition to this, BDD electrodes manufactured by introducing gases at different rates resulted in the most effective electrode lifetime when the introduced gas had a composition of hydrogen gas 94.5 vol.% carbon source gas 1.6 vol.% and boron source gas 3.9 vol.%.
KIM, Seo-Han;KIM, Shin;KIM, Tae-Hun;SONG, Pung-Keun
한국표면공학회:학술대회논문집
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한국표면공학회 2017년도 춘계학술대회 논문집
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pp.69-69
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2017
For several decades, industrial processes consume a huge amount of raw water for various objects that consequently results in the generation of large amounts of wastewater. There effluents are mainly treated by conventional technologies such are aerobic, anaerobic treatment and chemical coagulation. But, there processes are not suitable for eliminating all hazardous chemical compounds form wastewater and generate a large amount of toxic sludge. Therefore, other processes have been studied and applied together with these techniques to enhance purification results. These techniques include photocatalysis, absorption, advanced oxidation processes, and ozonation, but also have their own drawbacks. In recent years, electrochemical techniques have received attention as wastewater treatment process that show higher purification results and low toxic sludge. There are many kinds of electrode materials for electrochemical process, among them, boron doped diamond (BDD) attracts attention due to good chemical and electrochemical stability, long lifetime and wide potential window that necessary properties for anode electrode. So, there are many researches about high quality BDD, among them, researches are focused BDD on Si substrate. But, Si substrate is hard to apply electrode application due to the brittleness and low life time. And other substrates are also not suitable for wastewater treatment electrode due to high cost. To solve these problems, Ti has been candidate as substrate in consideration of cost and properties. But there are critical issues about adhesion that must be overcome to apply Ti as substrate. In this study, to overcome this problem, TiN interlayer is introduced between BDD and Ti substrate. TiN has higher electrical and thermal conductivity, melting point, and similar crystalline structure with diamond. The TiN interlayer was deposited by reactive DC magnetron sputtering (DCMS) with thickness of 50 nm, $1{\mu}m$. The microstructure of BDD films with TiN interlayer were estimated by FE-SEM and XRD. There are no significant differences in surface grain size despite of various interlayer. In wastewater treatment results, the BDD electrode with TiN (50nm) showed the highest electrolysis speed at livestock wastewater treatment experiments. It is thought to be that TiN with thickness of 50 nm successfully suppressed formation of TiC that harmful to adhesion. And TiN with thickness of $1{\mu}m$ cannot suppress TiC formation.
To test the efficiency of the BDD electrode for complete mineralization of organic wastewater, phenol and 2-chlorophenol (2-CP) were treated electrochemically with both an active Pt/Ti electrode and a nonactive boron doped diamond (BDD) electrode, respectively, in neutral aqueous medium. Aqueous solutions of both phenol and 2-chlorophenol were treated electrochemically using an in-house fabricated flow through electrochemical cell (FTEC). The experimental variables included current input, treatment time, and the flow rate of the solutions. Depending on the magnitude of the applied current and reaction time, the compounds were either completely degraded or partially oxidized to other intermediates. Removal efficiencies reached as high as 93.2% and 94.8% both at the Pt/Ti electrode and BDD electrode, respectively, at an applied current of 200 mA for a 3.0 hr reaction and a flow rate of 4 mL/min. The BDD electrode was much more efficient for the complete mineralization of phenol and 2-chlorophenol than the Pt/Ti electrode.
The simultaneous detection of Cd (II), Pb (II), Cu (II), and Hg (II) ions in aqueous medium using a BDD electrode with DPASV is described. XPS was used to characterize the chemical states of trace metal ions deposited on the BDD electrode surface. Experimental parameters that affect response, such as pH, deposition time, deposition potential, and pulse amplitude were carefully optimized. The detection limits for Cd (II), Pb (II), Cu (II), and Hg (II) ions were 3.5 ppb, 2.0 ppb, 0.1 ppb and 0.7 ppb, respectively. The application of the BDD electrode on the electrochemical pretreatment for the simultaneous metal detection in the dye waste water was also investigated.
Tannery wastewater is known to contain high concentrations of organic compounds, pathogens, and other toxic inorganic elements such as heavy metals, nitrogen, sulfur, etc. Biological methods such as aerobic and anaerobic processes are unsuitable for tannery wastewater treatment due to its high salinity, and electrochemical oxidation offers a promising method to solve this problem. In this study, raw tannery wastewater treatment using DSA® Ti/RuO2, Ti/IrO2 and Ti/BDD electrodes with continuous flow systems was examined. Effects of current densities and electrolysis times were investigated, to evaluate the process performance and energy consumption. The results showed that a Ti/BDD electrode is able to reach higher treatment efficiency than Ti/IrO2, and Ti/RuO2 electrodes across all parameters, excluding Total Nitrogen. The main mechanism of tannery wastewater oxidation at a Ti/BDD electrode is based on direct oxidation on the electrode surface combined with the generation of oxidants such as °OH and Cl2, while at DSA® Ti/RuO2 and Ti/IrO2 electrodes, the oxidation mechanisms are based on the generation of chlorine. After treatment, the effluents can be discharged to the environment after 6-12 h of electrolysis. Electrooxidation thus offers a promising method for removing the nutrients and non-biodegradable organic compounds in tannery wastewater.
Indirect oxidation using chlorine species oxidizing agents is often effective in wastewater treatment using an electrochemical oxidation process. When chlorine ions are contained in the wastewater, oxidizing agents of various chlorine species are produced during electrolysis. In a ballast water management system, it is also used to treat ballast water by electrolyzing seawater to produce a chlorine species oxidizer. However, ballast water in the brackish zone and some wastewater has a low chlorine ion concentration. Therefore, it is necessary to study the chlorine generation current efficiency at various chlorine concentration conditions. In this study, the chlorine generating current efficiency of a boron-doped diamond(BDD) electrode and insoluble electrodes are compared with various chloride ion concentrations. The results of this study show that the current efficiency of the BDD electrode is better than that of the insoluble electrodes. The chlorine generation current efficiency is better in the order of BDD, MMO(mixed metal oxide), $Ti/RuO_2$, and $Ti/IrO_2$ electrodes. In particular, when the concentration of sodium chloride is 10 g/L or less, the current efficiency of the BDD electrode is excellent.
A boron-doped diamond(BDD) electrode is attractive for many electrochemical applications due to its distinctive properties: an extremely wide potential window in aqueous and non-aqueous electrolytes, a very low and stable background current and a high resistance to surface fouling. An Ar gas mixture of $H_2$, $CH_4$ and trimethylboron (TMB, 0.1 % $C_3H_9B$ in $H_2$) is used in a hot filament chemical vapor deposition(HFCVD) reactor. The effect of argon addition on quality, structure and electrochemical property is investigated by scanning electron microscope(SEM), X-ray diffraction(XRD) and cyclic voltammetry(CV). In this study, BDD electrodes are manufactured using different $Ar/CH_4$ ratios ($Ar/CH_4$ = 0, 1, 2 and 4). The results of this study show that the diamond grain size decreases with increasing $Ar/CH_4$ ratios. On the other hand, the samples with an $Ar/CH_4$ ratio above 5 fail to produce a BDD electrode. In addition, the BDD electrodes manufactured by introducing different $Ar/CH_4$ ratios result in the most inclined to (111) preferential growth when the $Ar/CH_4$ ratio is 2. It is also noted that the electrochemical properties of the BDD electrode improve with the process of adding argon.
Toxic organics are of great environmental concern primarily because they are toxic to mammals and birds, and are relatively soluble in water to contaminate surface water and groundwater. In this study, the decomposition of phenol, a widely used organic, in aqueous solutions by Boron doped diamond(BDD) electrode was examined. Thin, Boron-doped conducting diamond films are expected to be excellent electrodes for industrial electrolysis. Boron-doped diamond (BDD) were used as anode for generating ozone gas by electrolysis of acid solution. In this work. we have studied ozone generating system using BDD electrode. In order to determine the ozone generation properties of diamond electrode, experimental conditions, electrolyte concentration, temperature, flow rate and reaction time were varied diversely. As a result, we could confirm that ozone gas was generated successfully and the performance of diamond electrode was stable for electrolyte while $PbO_2$ electrode was disintegrated. Actually we are found that ozone amount increased by lowering the temperature of electrolyte. Decomposition of phenol concentration in the reaction solution by photolytic ozonation( $UV/O_3$) was analyzed by HPLC epuipped with a UV detector.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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