供稿人：邱正平、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2022-12-06
尋找高效且可重復(fù)使用的高級(jí)氧化過程催化劑是解決嚴(yán)重水污染問題的關(guān)鍵。雖然在過去幾十年中開發(fā)了許多納米催化劑，但其可回收性以及可持續(xù)的高催化效率仍然具有挑戰(zhàn)性。本文提出了一種設(shè)計(jì)高效且可重復(fù)使用的催化劑的新策略，即將銅作為還原劑引入金屬玻璃（MG）基催化劑中，并通過激光3D打印技術(shù)構(gòu)建三維分層多孔結(jié)構(gòu)。印刷態(tài)3D多孔MG/Cu催化劑在降解RhB方面表現(xiàn)出優(yōu)異的催化效率，歸一化速率常數(shù)約為商用納米零價(jià)鐵的620倍，優(yōu)于迄今為止大多數(shù)報(bào)道的芬頓型催化劑。引人注目的是，催化劑表現(xiàn)出良好的可重用性，可以使用100多次（迄今為止的最高記錄），而不會(huì)出現(xiàn)明顯的效率下降。結(jié)果表明，銅摻雜可以改善表面還原性并促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，使3D打印的MG/Cu催化劑具有可持續(xù)活性的富Fe（II）表面，因此具有前所未有的可重用性。這項(xiàng)工作為先進(jìn)催化劑的開發(fā)提供了一條廣泛適用的設(shè)計(jì)路線，該催化劑在廢水處理中具有突出的活性和可重復(fù)使用性。
圖1 多層級(jí)孔MG/Cu用于高效廢水處理
MG材料中固有的無序原子結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生松散堆積的原子鍵和增強(qiáng)的電子轉(zhuǎn)移能力，從而提高降解效率。然而到目前為止，大多數(shù)MG催化劑都是通過熔融紡絲制造的，限制MG催化劑主要以薄帶的形式存在，通常具有較小的比表面積和低剛度，這些特性不利于催化效率和可重用性。
圖2選擇性激光熔化(SLM) 3D打印技術(shù)3DP MG/Cu工藝示意圖
華中科技大學(xué)研究人員利用氣體霧化將Fe68Mo5Ni5Cr2P12.5C5B2.5制備MG粉末并與商業(yè)Cu粉末以70：30重量比混合，然后使用選擇性激光熔化（SLM）3D打印機(jī)制造MG/Cu復(fù)合催化劑。銅可作為還原劑來加速Fe（III）到通過激光3D打印制備的三維多孔FeP基MG上的Fe（II）氧化還原過程。在沒有任何后處理的情況下，3D打印（3DP）多孔MG/Cu對(duì)降解染料表現(xiàn)出顯著的內(nèi)在活性，例如，催化反應(yīng)速率常數(shù)比商業(yè)ZVI高620倍，并且優(yōu)于大多數(shù)其他芬頓催化劑，包括迄今為止報(bào)道的各種MG催化劑。更令人興奮的是，這些催化劑表現(xiàn)出前所未有的可重復(fù)使用性，可以循環(huán)100多次，而催化活性沒有明顯衰減。結(jié)果表明，添加Cu作為還原劑對(duì)于實(shí)現(xiàn)3DP金屬玻璃基催化劑極高的催化效率和令人印象深刻的可重用性至關(guān)重要。