澳大利亞埃迪斯科文大學張來昌教授Progress in Materials Science：金屬玻璃催化劑在污水處理中的研究進展

【引言】

在過去幾十年，金屬玻璃在基礎研究、增材制造、結構性能和實際應用等多個研究領域都有著極大的發展。許多關于金屬玻璃的優秀綜述詳細的總結了其在眾多方面的優異性能和應用，但在催化領域的研究綜述卻鮮有報道。近年來，金屬玻璃以其獨特的物理特征及優越的催化性能在催化領域的研究逐漸得到人們的共識。研究表明，作為一種新型的且極具發展前景的工業催化劑，金屬玻璃在廢水處理中具有超快的催化效率、可靠的穩定性和極低的金屬浸出效果等優良性能，有望成為下一代工業廢水催化劑的新星。

【成果簡介】

近期，澳大利亞埃迪斯科文大學(Edith Cowan University)張來昌教授與香港城市大學賈喆高級副研究員在Progress?in Materials Science(《材料科學進展》)上發表了題為“A review of catalytic performance of metallic glasses in wastewater treatment: recent progress and prospects”的綜述性論文。本文首次總結了近年來以眾多原子組分和優異催化性能的金屬玻璃作為環境催化劑的重要研究進展。針對金屬玻璃固有的本征屬性，本文全面討論了其獨特的物理本征結構對催化反應活性的影響，包括結構弛豫、晶化及“回春”、電子結構、原子構型、熱物理性質、元素組成、表面粗糙度、殘余應力及多孔結構，突出了高性能工業廢水催化材料的局限性以及與每種優化策略相關的本征機制。同時，本文也系統地總結了金屬玻璃催化劑對工業染料廢水處理中的脫色、礦化、金屬浸出、可持續性和可重用性，以及不同化學參數的影響。最后，本文提出了如何進一步開發金屬玻璃催化劑的其余挑戰，為研究金屬玻璃新型功能性應用提供了新的見解與展望。

【圖文導讀】

圖1?近年來金屬玻璃作為催化劑在工業廢水處理和能源轉換中的應用

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圖2?甩帶法制備金屬玻璃條帶

圖3?高能球磨和霧化法制備金屬玻璃粉末

圖4?選擇性激光熔融（SLM）-?3D打印法制備大塊金屬玻璃及其工業廢水處理性能

圖5?化學合成法制備納米級非晶粉末及其形貌特征

圖6?不同工業染料降解的紫外-可見光譜及可視化褪色效果

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圖7?不同催化劑的催化活性與染料濃度變化關系對比

圖8?金屬玻璃催化劑在降解過程中對不同染料總有機碳去除率及離子浸出濃度

圖9?金屬玻璃催化劑對不同有機物礦化分解過程

圖10?金屬玻璃催化劑在不同反應環境中的浸出濃度及溶液導電性

圖11?金屬玻璃催化劑的穩定性及其結構表征

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圖12?金屬玻璃在循環使用過程中表面變化的視覺效果

圖13?化學參數對金屬玻璃的催化性能影響

圖14?金屬玻璃催化劑的用量對染料褪色的影響

圖15?染料濃度的影響

圖16?過氧化物濃度的影響（過氧化物包括過氧化氫，過氧硫酸鹽及過一氧硫酸鹽）

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圖17?紫外-可見光照射下染料褪色的可視化對比效果及示意圖

圖18?金屬玻璃催化劑與晶體催化劑反應激活能(Ea)的對比

圖19?不同pH環境下金屬玻璃對染料褪色的催化性能

圖20?金屬玻璃激活過氧化氫，過氧硫酸鹽及過一氧硫酸鹽生成自由基的機理示意圖

圖21?不同金屬玻璃與染料降解速率(k_obs)隨不同過氧化物濃度的變化。

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圖22?金屬玻璃在不同退火溫度下對過氧化氫的激活催化機理

圖23?金屬玻璃與其晶態結構的極化曲線及價帶密度對比

圖24?電鏡圖表征退火對金屬玻璃結構演變的影響

圖25?金屬玻璃結構弛豫，晶化及“回春”對不同染料催化降解性能的影響

圖26?不同染料降解動力學速率(k_obs)隨金屬玻璃退火溫度的變化規律

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圖27鐵基金屬玻璃在不同退火溫度下對催化性能的影響示意圖

圖28?X射線近邊吸收（EXAFS）及徑向分布函數對金屬玻璃原子短程序配位的表征

圖29?不同金屬玻璃及其晶化產物電子轉移速率性能表征（a紫外光電譜（UPS），b-d 電化學阻抗譜（EIS）

圖30?金屬玻璃中原子配位對活性位點的理論計算研究

圖31?金屬玻璃在低于玻璃轉變溫度下退火的放熱焓對催化性能的影響

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圖32?循環使用后的鐵基金屬玻璃表面結構演化掃描電鏡圖

圖33?球磨及霧化法制備金屬玻璃粉末的表面形貌及性能對比

圖34?金屬玻璃中殘余應力對催化性能的影響

圖35?脫合金制備金屬玻璃多孔結構的XRD圖譜

【結論和展望】

研究人員指出了未來研究開發高性能且可大規模工業化生產的工業廢水金屬玻璃催化劑的幾個前景，總結如下：

• 引入納米晶和非晶雙相結構促進界面電子轉移從而有望提高催化性能。此外，在金屬玻璃退火過程中控制析出的金屬間化合物從而形成大量具有不同電勢的納米/微米級原電池，促進催化過程中的電子轉移。
• 電子結構的優化在化學/電化學催化反應中也起著至關重要的作用。金屬玻璃具有獨特的短/中程有序原子排列結構為優化其電子結構提供了豐富的可能性，如電子離域、電子態密度分布、電子軌道雜化等，多種原子配位構型形成的協同作用，等，有望進一步增加催化過程中的活性位點。
• 催化劑的比表面積一直是化學或催化活性研究的前沿問題。化學/電化學脫合金是在材料表面產生孔隙的最有效方法之一。然而，在脫合金過程中，大多數金屬玻璃的原子結構易發生重排導致晶化行為。如何調控金屬玻璃的原子成分從而有效避免晶化行為的發生應該受到關注。
• 為了在不久的將來促進金屬玻璃催化劑在水處理領域的可行性和工業化，研究人員還需要關注金屬玻璃的設計到催化反應優化的幾個重要理論和技術約束: (1) 提高催化反應環境的pH值范圍，使添加劑的添加量降到最低;(2)建立金屬玻璃熱物理性質(如放熱焓)對其催化性能的影響，提高對其熱物理機制影響的認識;(3)利用機器學習對成分及結構預測并以高通量方法制備新型金屬玻璃催化劑，從而對其工業化應用進行更有效的篩選;(4)建立金屬玻璃表面原子重構與穩定性失效機制的關系，等。

本文鏈接：A review of catalytic performance of metallic glasses in wastewater treatment: recent progress and prospects （Progress in Materials Science, 2019, Vol. 10, paper no. 100576. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2019.100576）

本文由澳大利亞埃迪斯科文大學張來昌教授團隊供稿

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