埃迪斯科文大學張來昌教授Appl. Mater. Today – 3D打印鐵基金屬玻璃復合材料的催化性能研究

背景介紹

環境壓力的增大迫使在環境治理方面（特別水污染）對催化劑有著新的要求，比如需要更易操作、更節約成本、更適應復雜環境等等的催化劑。增材制造（Additive Manufacturing，也即3D打印）因其在材料生產制造方面可自定義化、可節約時間和材料成本、可制造復雜的產品結構、精度高等優勢而備受關注，它可以將材料生產簡化成一個步驟從而大大減少了再加工或組裝等工序。近年來3D打印技術已嘗試應用于生產高效催化劑，比如熔融沉積成型（Fused Deposition Modelling）用于生產石墨烯復合材料（Graphene Composite），自動機器鑄件（Robocasting）用于生產沸石（Zeolite），立體平版印刷（Stereolithography）用于生產聚合物及復合材料等等。而且作為不可替代的金屬3D打印技術 - 選擇性激光熔融技術（Selective Laser Melting）和電子束熔融技術（Electron Beam Melting）可用于生產高效、結構復雜，并應用于工業化的金屬催化劑。金屬玻璃（Metallic Glasses）因其獨特的非晶態結構（Amorphous Structure）而普遍具有比晶態材料更優異的催化性能，近年來在催化的領域的研究已取得一些進展。然而其用于催化劑的形式常常因為生產模式而僅限于條帶和粉末等等，這些催化劑的形式單一而且缺乏可持續性，不適于工業化的催化應用。因此，將3D打印技術與金屬玻璃結合，將有望于解決如今對催化劑日益提高的要求和有效利用金屬玻璃優異的催化性能。

成果簡介

近日，在澳大利亞埃迪斯科文大學張來昌教授團隊與山東大學王偉民教授（共同通訊）帶領下，展示了一種使用選擇性激光熔融技術生產的多孔鐵基玻璃復合材料（porous Fe-based metallic glass matrix composite）。該復合材料由非晶和晶態結構組成，并應用于污水處理方面的催化性能研究。結果表明，在應用于兩種高級氧化法（類芬頓法Fenton-like process和硫酸根自由基高級氧化法sulfate radical-based reaction）的對比當中，該復合材料可在硫酸根自由基高級氧化當中循環處理染料溶液高達45次并一直保持非常高效催化性能，而在類芬頓法當中，在45次循環使用以后其催化效率已經降到一半以下。進一步研究發現其高效循環特性源于在硫酸根自由基高級氧化法處理染料當中，3D打印鐵基玻璃復合物材料沒有發生明顯的表面衰退和鈍化（如表面腐蝕、大量沉淀物等等），這使得其催化性能在循環使用過程中始終保持在非常高效的狀態。另外，通過在結晶溫度附近（550°C）退火而提高復合材料的結晶相程度，從而研究了晶相在復合材料當中的催化作用。結果表明晶相可在復合材料當中充當“觸發器”的作用，從而提高在催化過程中的電子轉移的效率，但是大量的晶相將會抑制復合材料的催化性能。更重要的是，該復合材料的總體催化性能（高反應效率常數和低活化能）也優于其他的一些晶態、非晶態催化材料。因此，這種3D打印鐵基玻璃復合材料在催化領域及實現產業化方面有著巨大的應用前景。相關成果以題為“Selective laser melting manufactured porous Fe-based metallic glass matrix composite with remarkable catalytic activity and reusability”發表在了Applied Materials Today上。

圖文導讀

圖1 鐵基玻璃復合材料粉末的(a)顆粒大小分布圖及其(b)XRD、DSC圖。

圖2 選擇性激光熔融技術生產多孔鐵基玻璃復合材料的過程示意圖。

圖3 鐵基玻璃復合材料的催化性能研究。

（a）不同掃描速度生產的復合材料的催化效率；

（b）在類芬頓法循環45次的催化降解趨勢；

（c）在硫酸根自由基高級氧化法循環45次的催化降解趨勢；

（d）和（e）相對應圖（b）和（c）在5和10分鐘的染料去色率圖。

圖4 鐵基玻璃復合材料的材料表征。

（a）不同掃描速度的XRD圖和體積分數；

（b）原始金屬玻璃復合材料的SEM圖；

（c）和(d)在類芬頓法循環45次后的SEM圖及放大圖；

(e) 和(f)在硫酸根自由基高級氧化法循環45次后的SEM圖及放大圖。

圖5 (a)退火后鐵基金屬玻璃復合材料的相成分分析和（b）退火對催化性能的影響。

圖6 不同催化劑總體性能的對比。

小結

盡管3D打印技術還不能完全克服在生產過程中對金屬玻璃的晶化的影響，其應用于生產金屬玻璃復合材料更有望應用于生產成本低廉、高效可持續的催化劑。本文關于在硫酸根自由基高級氧化法的研究中更對這種復合材料用于處理污水產業化提供了新的思路。

文獻連接：

Selective laser melting manufactured porous Fe-based metallic glass matrix composite with remarkable catalytic activity and reusability, Applied Materials Today 19 (2020) 100543. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2019.100543

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