華中科技大學(xué)：3D打印/脫合金技術(shù)制備分級(jí)多孔納米金屬及其高效降解污水性能

最近，華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院非晶態(tài)材料研究室柳林教授課題組的楊沖、張誠等人，利用3D打印/脫合金化復(fù)合技術(shù)成功制備出三維分級(jí)納米多孔Cu催化劑（3D NP-Cu），并系統(tǒng)研究其污水降解性能。所開發(fā)的新型3D NP-Cu催化劑的比表面積相比非晶條帶增加了660倍，因此表現(xiàn)出優(yōu)異的催化降解性能。其對(duì)偶氮染料的降解效率分別是商用Cu2+和Cu粉的14倍和4倍。此外，3D NP-Cu還表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在多次循環(huán)后催化效率仍保持90%以上。

背景介紹
高級(jí)氧化法(Advanced oxidation process, AOP)能高效快速降解水體中的有機(jī)污染物，因而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水深度處理。在此過程中，H2O2在催化劑的作用快速催化分解產(chǎn)生·OH，產(chǎn)生的·OH氧化性極強(qiáng)，幾乎能與所有有機(jī)污染物發(fā)生反應(yīng)從而最終實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的降解。開發(fā)新型高效穩(wěn)定的催化劑是當(dāng)前業(yè)界努力的方向。

目前，廣泛應(yīng)用于高級(jí)氧化法（Fenton）的催化劑主要是鐵基、銅基催化劑，如鐵屑、鐵粉等。然而這些催化劑存在比表面積小、穩(wěn)定性差，且不能重復(fù)使用等問題。3D打印技術(shù)為制作幾何形狀復(fù)雜的三維多孔金屬框架提供了一個(gè)全新的方案，在三維多孔金屬框架的基礎(chǔ)上，如果通過脫合金化技術(shù)，可以構(gòu)筑分級(jí)納米多孔結(jié)構(gòu)，將顯著增加催化劑的比表面積以及催化性能。

本文亮點(diǎn)
最近，華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院非晶態(tài)材料研究室柳林教授課題組的楊沖、張誠等人，利用3D打印/脫合金化復(fù)合技術(shù)成功制備出三維分級(jí)納米多孔Cu催化劑（3D NP-Cu），并系統(tǒng)研究其污水降解性能。所開發(fā)的新型3D NP-Cu催化劑的比表面積相比非晶條帶增加了660倍，因此表現(xiàn)出優(yōu)異的催化降解性能。其對(duì)偶氮染料的降解效率分別是商用Cu2+和Cu粉的14倍和4倍。此外，3D NP-Cu還表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在多次循環(huán)后催化效率仍保持90%以上。

這種催化劑還能高效降解復(fù)雜染料（多種混合染料）以及有效去除廢水COD。研究發(fā)現(xiàn)，3D NP-Cu的高效催化性能來源于大比表面積，豐富的表面原子臺(tái)階與納米Cu2O顆粒，以及便于物質(zhì)傳輸?shù)奈⒖捉Y(jié)構(gòu)。作者還展示了利用這種新型3D打印技術(shù)構(gòu)建復(fù)雜催化劑構(gòu)件的可行性，并驗(yàn)證了其催化性能。相關(guān)工作發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 20992-21002。該研究得到了國家自然科學(xué)基金(51531003; 51471074; 51771077);科技部973項(xiàng)目(2015C856801) 以及國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB1100101) 等項(xiàng)目資助。

圖文解析

圖1 3D打印技術(shù)制備不同形狀非晶合金以及3D打印技術(shù)和脫合金化原理示意圖

圖2 3D NP-Cu催化劑顯微結(jié)構(gòu)表征（SEM, XRD, XPS）

圖3 3D NP-Cu催化劑顯微結(jié)構(gòu)表征（TEM）

圖4 不同工藝對(duì)3D NP-Cu催化劑催化效率的影響

圖5 3D NP-Cu催化劑與其他催化劑性能對(duì)比

圖6 3D NP-Cu催化劑降解復(fù)雜染料以及去除COD性能

圖7 3D NP-Cu催化劑循環(huán)穩(wěn)定性

圖8 3D NP-Cu催化劑降解后結(jié)構(gòu)表征（SEM, XPS, TEM）

圖9 3D NP-Cu催化機(jī)理研究

圖10 3D NP-Cu催化反應(yīng)機(jī)理

圖11 3D NP-Cu催化降解反應(yīng)路徑

圖12 3D 打印納米多孔風(fēng)扇及其催化降解性能展示

作者介紹
柳林：非晶態(tài)材料研究室負(fù)責(zé)人，華中科技大學(xué)教授（二級(jí)），博士生導(dǎo)師，華中學(xué)者杰出崗，材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。1984年畢業(yè)于華中工學(xué)院獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，1992年畢業(yè)于中科院固體物理所獲理學(xué)碩士學(xué)位，2000年畢業(yè)于華中理工大學(xué)獲工學(xué)博士學(xué)位。1984－1993年在中科院固體所工作，1993－1996年在意大利新技術(shù)、能源、環(huán)境研究中心（ENEA）合作研究；1998至今在華中科技大學(xué)工作，其間，于2002－2004年在香港理工大學(xué)作合作研究。先后入選教育部“優(yōu)秀青年教師資助計(jì)劃”、教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”、湖北省高層次人才工程及武漢市學(xué)科帶頭人計(jì)劃。是國家自然科學(xué)基金委員會(huì)專家評(píng)審組成員，中國材料學(xué)會(huì)非晶材料分會(huì)、中國金屬學(xué)會(huì)非晶合金分會(huì)委員（理事）。擔(dān)任《AIMS Materials Science》、《Scientific Reports》等學(xué)術(shù)期刊編委。作為主講教師之一所講授的《工程材料學(xué)》獲湖北省精品課程，獲華中科技大學(xué)“優(yōu)秀研究生導(dǎo)師”稱號(hào)、華中科技大學(xué)教學(xué)成果二等獎(jiǎng)、華中科技大學(xué)“三育人獎(jiǎng)”及“伯樂獎(jiǎng)”。已畢業(yè)博士生20余名，碩士生50余名。主要從事非晶合金及非晶涂層、納米多孔材料、3D打印、亞穩(wěn)相變等方向的研究。近年來，先后承擔(dān)973課題，國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和面上項(xiàng)目，國防預(yù)研重點(diǎn)項(xiàng)目，香港RGC基金（Co-PI）等30余項(xiàng)， 累計(jì)縱向科研經(jīng)費(fèi)2500余萬元，獲國家發(fā)明專利15項(xiàng)。在Nat Comm、 Acta Mater、Acta Biomater、JMCA、Corr Sci， APL等材料科學(xué)領(lǐng)域的著名期刊上發(fā)表論文170余篇，SCI他引3000余次，30余次國際會(huì)議上做邀請報(bào)告。

張誠：華中科技大學(xué)副教授，工學(xué)博士，博士生導(dǎo)師, 材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“青年優(yōu)材”人才計(jì)劃入選者（2018）。2012年在華中科技大學(xué)獲博士學(xué)位。2011年、2016年赴香港理工大學(xué)從事合作研究。目前主要從事非晶涂層、3D打印非晶合金及功能性質(zhì)研究。先后主持國家自然科學(xué)基金2項(xiàng)，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子項(xiàng)目1項(xiàng)，中國博士后科學(xué)基金2項(xiàng)，清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題1項(xiàng), 華中科技大學(xué)青年人才引進(jìn)基金以及自主創(chuàng)新基金2項(xiàng)。作為技術(shù)骨干參加總裝預(yù)研項(xiàng)目1項(xiàng)，國自科重點(diǎn)基金與面上項(xiàng)目4項(xiàng)。在Journal of Materials Chemistry A, Acta Materialia, Electrochimica Acta,  Corrosion Science, Applied Physics Letters等期刊上發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文30余篇。論文被引用740余次，獲中國發(fā)明專利6項(xiàng)。

來源：柳林教授課題組