3D打印/脫合金技術制備分級多孔納米金屬降解
發表時間：2018年11月05日瀏覽量：
原標題：華中科技大學：3D打印/脫合金技術制備分級多孔納米金屬及其高效降解污水性能
最近，華中科技大學材料科學與工程學院非晶態材料研究室柳林教授課題組的楊沖、張誠等人，利用3D打印/脫合金化復合技術成功制備出三維分級納米多孔Cu催化劑（3D NP-Cu），并系統研究其污水降解性能。所開發的新型3D NP-Cu催化劑的比表面積相比非晶條帶增加了660倍，因此表現出優異的催化降解性能。其對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還表現出良好的循環穩定性，在多次循環后催化效率仍保持90%以上。
高級氧化法(Advanced oxidation process, AOP)能高效快速降解水體中的有機污染物，因而被廣泛應用于工業廢水深度處理。在此過程中，H2O2在催化劑的作用快速催化分解產生·OH，產生的·OH氧化性極強，幾乎能與所有有機污染物發生反應從而最終實現有機污染物的降解。開發新型高效穩定的催化劑是當前業界努力的方向。
目前，廣泛應用于高級氧化法（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、穩定性差，且不能重復使用等問題。3D打印技術為制作幾何形狀復雜的三維多孔金屬框架提供了一個全新的方案，在三維多孔金屬框架的基礎上，如果通過脫合金化技術，可以構筑分級納米多孔結構，將顯著增加催化劑的比表面積以及催化性能。
本文亮點
最近，華中科技大學材料科學與工程學院非晶態材料研究室柳林教授課題組的楊沖、張誠等人，利用3D打印/脫合金化復合技術成功制備出三維分級納米多孔Cu催化劑（3D NP-Cu），并系統研究其污水降解性能。所開發的新型3D NP-Cu催化劑的比表面積相比非晶條帶增加了660倍，因此表現出優異的催化降解性能。其對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還表現出良好的循環穩定性，在多次循環后催化效率仍保持90%以上。
這種催化劑還能高效降解復雜染料（多種混合染料）以及有效去除廢水COD。研究發現，3D NP-Cu的高效催化性能來源于大比表面積，豐富的表面原子臺階與納米Cu2O顆粒，以及便于物質傳輸的微孔結構。作者還展示了利用這種新型3D打印技術構建復雜催化劑構件的可行性，并驗證了其催化性能。相關工作發表在Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 20992-21002。該研究得到了國家自然科學基金(51531003; 51471074; 51771077);科技部973項目(2015C856801) 以及國家重點研發計劃(2016YFB1100101) 等項目資助。
圖文解析
作者介紹
柳林：非晶態材料研究室負責人，華中科技大學教授（二級），博士生導師，華中學者杰出崗，材料成形與模具技術國家重點實驗室副主任。1984年畢業于華中工學院獲工學學士學位，1992年畢業于中科院固體物理所獲理學碩士學位，2000年畢業于華中理工大學獲工學博士學位。1984－1993年在中科院固體所工作，1993－1996年在意大利新技術、能源、環境研究中心（ENEA）合作研究；1998至今在華中科技大學工作，其間，于2002－2004年在香港理工大學作合作研究。先后入選教育部“優秀青年教師資助計劃”、教育部“新世紀優秀人才支持計劃”、湖北省高層次人才工程及武漢市學科帶頭人計劃。是國家自然科學基金委員會專家評審組成員，中國材料學會非晶材料分會、中國金屬學會非晶合金分會委員（理事）。擔任《AIMS Materials Science》、《Scientific Reports》等學術期刊編委。作為主講教師之一所講授的《工程材料學》獲湖北省精品課程，獲華中科技大學“優秀研究生導師”稱號、華中科技大學教學成果二等獎、華中科技大學“三育人獎”及“伯樂獎”。已畢業博士生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、亞穩相變等方向的研究。近年來，先后承擔973課題，國家自然科學基金重點項目和面上項目，國防預研重點項目，香港RGC基金（Co-PI）等30余項， 累計縱向科研經費2500余萬元，獲國家發明專利15項。在Nat Comm、 Acta Mater、Acta Biomater、JMCA、Corr Sci， APL等材料科學領域的著名期刊上發表論文170余篇，SCI他引3000余次，30余次國際會議上做邀請報告。
張誠：華中科技大學副教授，工學博士，博士生導師, 材料成形與模具技術國家重點實驗室“青年優材”人才計劃入選者（2018）。2012年在華中科技大學獲博士學位。2011年、2016年赴香港理工大學從事合作研究。目前主要從事非晶涂層、3D打印非晶合金及功能性質研究。先后主持國家自然科學基金2項，國家重點研發計劃子項目1項，中國博士后科學基金2項，清華大學摩擦學國家重點實驗室開放課題1項, 華中科技大學青年人才引進基金以及自主創新基金2項。作為技術骨干參加總裝預研項目1項，國自科重點基金與面上項目4項。在Journal of Materials Chemistry A, Acta Materialia, Electrochimica Acta, Corrosion Science, Applied Physics Letters等期刊上發表SCI學術論文30余篇。論文被引用740余次，獲中國發明專利6項。
來源：柳林教授課題組
最近，華中科技大學材料科學與工程學院非晶態材料研究室柳林教授課題組的楊沖、張誠等人，利用3D打印/脫合金化復合技術成功制備出三維分級納米多孔Cu催化劑（3D NP-Cu），并系統研究其污水降解性能。所開發的新型3D NP-Cu催化劑的比表面積相比非晶條帶增加了660倍，因此表現出優異的催化降解性能。其對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還表現出良好的循環穩定性，在多次循環后催化效率仍保持90%以上。
高級氧化法(Advanced oxidation process, AOP)能高效快速降解水體中的有機污染物，因而被廣泛應用于工業廢水深度處理。在此過程中，H2O2在催化劑的作用快速催化分解產生·OH，產生的·OH氧化性極強，幾乎能與所有有機污染物發生反應從而最終實現有機污染物的降解。開發新型高效穩定的催化劑是當前業界努力的方向。
目前，廣泛應用于高級氧化法（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、穩定性差，且不能重復使用等問題。3D打印技術為制作幾何形狀復雜的三維多孔金屬框架提供了一個全新的方案，在三維多孔金屬框架的基礎上，如果通過脫合金化技術，可以構筑分級納米多孔結構，將顯著增加催化劑的比表面積以及催化性能。
本文亮點
最近，華中科技大學材料科學與工程學院非晶態材料研究室柳林教授課題組的楊沖、張誠等人，利用3D打印/脫合金化復合技術成功制備出三維分級納米多孔Cu催化劑（3D NP-Cu），并系統研究其污水降解性能。所開發的新型3D NP-Cu催化劑的比表面積相比非晶條帶增加了660倍，因此表現出優異的催化降解性能。其對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還表現出良好的循環穩定性，在多次循環后催化效率仍保持90%以上。
這種催化劑還能高效降解復雜染料（多種混合染料）以及有效去除廢水COD。研究發現，3D NP-Cu的高效催化性能來源于大比表面積，豐富的表面原子臺階與納米Cu2O顆粒，以及便于物質傳輸的微孔結構。作者還展示了利用這種新型3D打印技術構建復雜催化劑構件的可行性，并驗證了其催化性能。相關工作發表在Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 20992-21002。該研究得到了國家自然科學基金(51531003; 51471074; 51771077);科技部973項目(2015C856801) 以及國家重點研發計劃(2016YFB1100101) 等項目資助。
圖文解析
圖1 3D打印技術制備不同形狀非晶合金以及3D打印技術和脫合金化原理示意圖
圖2 3D NP-Cu催化劑顯微結構表征（SEM, XRD, XPS）
圖3 3D NP-Cu催化劑顯微結構表征（TEM）
圖4 不同工藝對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比
圖6 3D NP-Cu催化劑降解復雜染料以及去除COD性能
圖7 3D NP-Cu催化劑循環穩定性
圖8 3D NP-Cu催化劑降解后結構表征（SEM, XPS, TEM）
圖9 3D NP-Cu催化機理研究
圖10 3D NP-Cu催化反應機理
圖11 3D NP-Cu催化降解反應路徑
圖12 3D 打印納米多孔風扇及其催化降解性能展示
作者介紹
柳林：非晶態材料研究室負責人，華中科技大學教授（二級），博士生導師，華中學者杰出崗，材料成形與模具技術國家重點實驗室副主任。1984年畢業于華中工學院獲工學學士學位，1992年畢業于中科院固體物理所獲理學碩士學位，2000年畢業于華中理工大學獲工學博士學位。1984－1993年在中科院固體所工作，1993－1996年在意大利新技術、能源、環境研究中心（ENEA）合作研究；1998至今在華中科技大學工作，其間，于2002－2004年在香港理工大學作合作研究。先后入選教育部“優秀青年教師資助計劃”、教育部“新世紀優秀人才支持計劃”、湖北省高層次人才工程及武漢市學科帶頭人計劃。是國家自然科學基金委員會專家評審組成員，中國材料學會非晶材料分會、中國金屬學會非晶合金分會委員（理事）。擔任《AIMS Materials Science》、《Scientific Reports》等學術期刊編委。作為主講教師之一所講授的《工程材料學》獲湖北省精品課程，獲華中科技大學“優秀研究生導師”稱號、華中科技大學教學成果二等獎、華中科技大學“三育人獎”及“伯樂獎”。已畢業博士生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、亞穩相變等方向的研究。近年來，先后承擔973課題，國家自然科學基金重點項目和面上項目，國防預研重點項目，香港RGC基金（Co-PI）等30余項， 累計縱向科研經費2500余萬元，獲國家發明專利15項。在Nat Comm、 Acta Mater、Acta Biomater、JMCA、Corr Sci， APL等材料科學領域的著名期刊上發表論文170余篇，SCI他引3000余次，30余次國際會議上做邀請報告。
張誠：華中科技大學副教授，工學博士，博士生導師, 材料成形與模具技術國家重點實驗室“青年優材”人才計劃入選者（2018）。2012年在華中科技大學獲博士學位。2011年、2016年赴香港理工大學從事合作研究。目前主要從事非晶涂層、3D打印非晶合金及功能性質研究。先后主持國家自然科學基金2項，國家重點研發計劃子項目1項，中國博士后科學基金2項，清華大學摩擦學國家重點實驗室開放課題1項, 華中科技大學青年人才引進基金以及自主創新基金2項。作為技術骨干參加總裝預研項目1項，國自科重點基金與面上項目4項。在Journal of Materials Chemistry A, Acta Materialia, Electrochimica Acta, Corrosion Science, Applied Physics Letters等期刊上發表SCI學術論文30余篇。論文被引用740余次，獲中國發明專利6項。
來源：柳林教授課題組
