香港城市大學呂堅教授團隊Advanced Functional Materials: 鐵基金屬玻璃在工業廢水處理上再次突破，實現催化效率與穩定性雙提升

【前言】

金屬玻璃以其良好的力學性能，耐腐蝕及獨特的軟磁性能等特點，在結構和新的功能性應用上得到越來越多的關注。近年來，鐵基金屬玻璃在工業廢水處理上引起了科學界以及工業界極大的興趣。然而，由于在廢水處理的過程中反應環境多數是在酸性條件下進行（芬頓或類芬頓反應），鐵基金屬玻璃催化劑目前存在催化效率和穩定性不能同時兼顧。例如，在金屬玻璃成分中微量加入Nb, Cr等元素，其催化穩定性得以極大的提升但是催化效率會大大的降低。如何調控鐵基金屬玻璃的成分使其同時擁有極高的催化效率以及穩定性是一個關鍵而富有挑戰的課題。

【成果簡介】

近日，香港城市大學呂堅教授（通訊作者）課題組通過微合金化調節鐵基金屬玻璃條帶?(原子比為Fe₈₃Si₂B₁₁P₃C₁）的原子排位情況，從而有效的調控電子結構，使其表面電子發生離域促使在催化過程中得到更有效的電子轉移，廢水處理效率得到極大的提升。更重要的是，在催化過程中，鐵基金屬玻璃條帶會發生原位自重構，自發的生成多層梯度結構，極大的提高了廢水處理中的穩定性。這種新型鐵基金屬玻璃催化劑很好地滿足了上述催化效率和穩定性不能同時兼顧的需求。研究發現，微量添加的P原子只與Fe原子發生配位形成Fe-P鍵，其適中的電負性和鍵長（2.25??）能夠穩定Fe原子的非晶態并且擁有更高的活性位點及導電性。此外由于P元素的添加，金屬玻璃條帶表面電子態密度在費米能級處更為平緩，意味著表面電子發生離域從而使得電子轉移效率極大的提升。由于這種獨特的電子結構設計，該鐵基金屬玻璃條帶具有極高的工業廢水處理能力，在不加入任何外界條件刺激下（熱，光，電等），對常用的工業染料（羅丹明，甲基藍，甲基橙及混合液）在30分鐘內可實現全部褪色。并且，與傳統的芬頓反應環境（pH 3-5）相比，微量添加過氧硫酸鹽（2mM）可不必調控苛刻的酸性反應條件，廢水可直接被快速降解。同時，在循環使用過程中，金屬玻璃條帶會自發形成多層梯度結構，對活性位點的保護，過氧硫酸鹽的吸附與激發，及良好的離子滲透性提供了有利保障。研究表明，此金屬玻璃條帶的循環次數高達35次且保持同樣的催化效率，為工業化污水處理提供了廣闊的應用前景。相關研究結果被選為back cover發表在Advanced Functional Materials上，文章的第一作者為賈喆(香港城市大學高級副研究員)和王慶(上海大學材料研究所/香港城市大學)研究員。

【圖文導讀】

圖1?催化性能

a)不同有機污染物褪色的視覺效果；b)?不同有機污染物褪色效率；c)?不同有機污染物總有機碳去除率；d)與其他鐵基催化劑降解效率的對比； e)反應驅動能的對比；f)?Fe₈₃Si₂B₁₁P₃C₁ 金屬玻璃條帶催化穩定性

圖2?催化性能的比較

圖3?結構分析

a)原始非晶條帶與催化使用后的非晶條帶的XPS結果；b) 使用后非晶條帶的三維原子探針技術分析；c) 使用后非晶條帶的截面高分辨球差透射電鏡分析；d,e,f) 圖c中放大高分辨球差透射電鏡分析；g)非晶基體的選區電子衍射分析；h) Fe, P, S, O的電子能量損失分析

圖4?原理示意圖

本工作采用簡便、可大規模生產的單輥甩帶法制備了鐵基金屬玻璃條帶（原子成分Fe83Si2B11P3C1）用于工業廢水處理的研究。此鐵基金屬玻璃條帶作為環境催化劑，在催化效率和穩定性方面均表現出良好的催化性能。通過第一性原理計算證實，少量添加的P元素可以有效調節非晶原子的排位狀況從而使得條帶表面電子發生離域作用使得電子轉移效率提高，電子轉移的加快促進了過硫酸鹽的激發從而對有機污染物降解起到了決定性的影響。更重要的是，此鐵基金屬玻璃催化劑具有原位自重構能力，在重復使用35次后催化效率并沒有出現明顯降低，是目前發現的穩定性和可持續性最好的環境催化劑。此外，該金屬玻璃可直接作為廢水處理的環境催化劑，不需要任何附加條件(溫度、紫外可見光輻照、電場)，具備很大的工業應用潛力。本研究為設計低成本、高效、耐用的環境催化劑提供了直接的實驗理論依據，更重要的是為合成非貴金屬催化劑在催化領域的廣泛應用提供了新的思路。

【團隊在金屬玻璃研究領域工作匯總】

呂堅教授團隊在金屬玻璃領域工作多年，一直關注金屬玻璃的原子尺度的結構與力學性能提高的研究，曾經在Nature Materials（2010, 9,?619-623），Physical Review Letters（2011, 106,?215505）,?Nature Communications（2015, 6, 7876）, Materials Today (2016，19, 349-362) 等雜志發表相關論文。2017年5月在［自然］雜志發表封面文章介紹了非晶演變出的超納雙相非晶/超細納米晶全新材料制備和超高的力學性能及其他特殊性能?(Nature, 2017, 545, 80-83)，最近該研究組開始關注金屬玻璃的特殊的催化性能。

【相關優質文獻推薦】

1.Atomistic free-volume zones and inelastic deformation of metallic glasses. Nature Materials. 2010, 9, 619-623.

2.Atomic-scale structural evolution and stability of supercooled liquid of a Zr-based bulk metallic glass. Physical Review Letters. 2011, 106,?215505.

3.Unusual fast secondary relaxation in metallic glass. Nature Communications.2015, 6, 7876.

4.Universal secondary relaxation and unusual brittle-to-ductile transition in metallic glasses, Materials Today, 2017,20, 293-300.

5.Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys. Nature, 2017, 545, 80-83.

文獻鏈接：Attractive In Situ Self-Reconstructed Hierarchical Gradient Structure of Metallic Glass for High Efficiency and Remarkable Stability in Catalytic Performance （Advanced Functional Materials, 2019, 29，1807857. DOI: 10.1002/adfm.201807857）

本文由香港城市大學呂堅教授課題組供稿。

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