Mater. Des.：高能超聲應力振蕩下工業Fe-Si-B非晶合金廢料舊顏換新貌：作為高效合金催化劑降解合成染料廢液

【研究背景】

合成染料在紡織工業中廣泛應用，但對環境并不友好。為了減少染料的有害影響，需要探索多種有效的染料降解方法。由于非晶合金處于亞穩態、內部殘余應力高且表面非飽和位點密度高等特點，因此表現出良好的降解能力。另一方面，Fe₇₈Si₉B₁₃ 非晶合金作為一種商用鐵基非晶合金，在變壓器磁芯等領域有著廣泛的工業應用。而器件更換過程中會產生大量的工業 Fe-Si-B 非晶合金廢料，因此需要找到一種有效的方法來回收利用這些工業廢料。研究表明，Fe-Si-B 非晶合金可以通過類芬頓反應降解合成染料。并且為了進一步提高其降解性能，可將非晶合金進行球磨處理來增加比表面積從而提供更多的反應位點。但是球磨過程需要在高真空環境中進行，以防止形成表面氧化層導致其降解能力降低。因此，開發高效、省時的方法來提高非晶催化劑的降解能力是一項緊迫的任務。

【成果簡介】

近日，東南大學材料科學與工程學院袁晨晨副教授（通訊作者）和沈寶龍教授（共同通訊作者）指導碩士生呂祝薇（第一作者），聯合深圳大學機電與控制工程學院馬將研究員（共同通訊作者）、閆玉強（共同第一作者）、上海大學黃波副研究員、中科院寧波材料技術與工程研究所王軍強研究員、寧波中科畢普拉斯新材料科技有限公司霍利山博士、香港城市大學王循理教授、中科院物理研究所汪衛華研究員等合作者，使用紫外光譜儀結合 Nano-CT 對超聲應力振蕩后 Fe-Si-B 非晶合金粉末的合成染料降解性能進行了深入研究。相關研究成果以題名為“Making Fe-Si-B amorphous powders as an effective catalyst for dye degradation by?high-energy ultrasonic vibration”發表在 Materials and Design 雜志上(Materials and?Design, 194 (2020) 108876) https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108876，專利公開號：GN 109434120 A。

研究人員采用超聲振動對工業 Fe₇₈Si₉B₁₃ 非晶合金粉末進行二次處理，研究了這種處理工藝對催化降解染料廢液效率的影響。結果發現超聲應力振蕩可以顯著改善工業 Fe₇₈Si₉B₁₃ 非晶合金粉末對亞甲基藍的降解性能。根據 Nano-CT 和SEM 分析發現，Fe₇₈Si₉B₁₃ 顆粒表面或內部形成了有利于快速傳質的微通道，見圖 1。并且超聲振動后的粉末發生結構回春，為降解反應提供了大量低密度、高能量的反應位點（圖 2 和圖 3）。同時，根據偽一級動力學模型分析發現，超聲應力振蕩后的粉末參與的反應活化能降低。這些工作不僅極大地降低了目前廢水處理的成本，而且為通過高頻機械振動技術控制非晶合金的勢能狀態以改善合金催化劑的效率提供了一個頗具前途的有效途徑。

該項研究得到國家自然科學基金（Grant No. 51631003, 51571170, 51901122,?51601038）、江蘇省自然科學基金（Grant No. BK20171354）、江蘇省先進金屬材料重點實驗室（Grant No. BM2007204）、深圳市科技創新委員會（Grant No.JCYJ20170412111216258）、北京正負電子對撞機項目（Grant No. 2018-BEPC-PT-001852）、香港研究資助局（Grant No. CityU 11216215）、裘槎基金會（Grant No.CityU 9500034）和科技部（Grant No. 2016YFA0401501）等項目的支持。

【圖文導讀】

圖 1. Nano-CT 結構重建：(a) 0 J 和(b) 750 J 兩種能量超聲振動 Fe₇₈Si₉B₁₃ 非晶合金顆粒表面形貌；(c) 0 J 和(d) 750 J 兩種能量超聲振動 Fe₇₈Si₉B₁₃ 非晶合金顆粒截面圖。

圖 2. 工業 Fe₇₈Si₉B₁₃ 非晶合金粉末作為催化劑降解染料廢液原理示意圖（超聲應力振蕩前后）。

圖 3. 超聲應力振蕩對非晶合金能量調控示意圖。

本文由東南大學非晶合金研究組投稿。