华中科技大学:3D打印/脱合金技术制备分级多孔纳米金属及其高效降解污水性能

3D打印资讯
2018
11/05
10:16
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最近,华中科技大学材料科学与工程学院非晶态材料研究室柳林教授课题组的杨冲、张诚等人,利用3D打印/脱合金化复合技术成功制备出三维分级纳米多孔Cu催化剂(3D NP-Cu),并系统研究其污水降解性能。所开发的新型3D NP-Cu催化剂的比表面积相比非晶条带增加了660倍,因此表现出优异的催化降解性能。其对偶氮染料的降解效率分别是商用Cu2+和Cu粉的14倍和4倍。此外,3D NP-Cu还表现出良好的循环稳定性,在多次循环后催化效率仍保持90%以上。
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背景介绍
高级氧化法(Advanced oxidation process, AOP)能高效快速降解水体中的有机污染物,因而被广泛应用于工业废水深度处理。在此过程中,H2O2在催化剂的作用快速催化分解产生·OH,产生的·OH氧化性极强,几乎能与所有有机污染物发生反应从而最终实现有机污染物的降解。开发新型高效稳定的催化剂是当前业界努力的方向。

目前,广泛应用于高级氧化法(Fenton)的催化剂主要是铁基、铜基催化剂,如铁屑、铁粉等。然而这些催化剂存在比表面积小、稳定性差,且不能重复使用等问题。3D打印技术为制作几何形状复杂的三维多孔金属框架提供了一个全新的方案,在三维多孔金属框架的基础上,如果通过脱合金化技术,可以构筑分级纳米多孔结构,将显著增加催化剂的比表面积以及催化性能。

本文亮点
最近,华中科技大学材料科学与工程学院非晶态材料研究室柳林教授课题组的杨冲、张诚等人,利用3D打印/脱合金化复合技术成功制备出三维分级纳米多孔Cu催化剂(3D NP-Cu),并系统研究其污水降解性能。所开发的新型3D NP-Cu催化剂的比表面积相比非晶条带增加了660倍,因此表现出优异的催化降解性能。其对偶氮染料的降解效率分别是商用Cu2+和Cu粉的14倍和4倍。此外,3D NP-Cu还表现出良好的循环稳定性,在多次循环后催化效率仍保持90%以上。

这种催化剂还能高效降解复杂染料(多种混合染料)以及有效去除废水COD。研究发现,3D NP-Cu的高效催化性能来源于大比表面积,丰富的表面原子台阶与纳米Cu2O颗粒,以及便于物质传输的微孔结构。作者还展示了利用这种新型3D打印技术构建复杂催化剂构件的可行性,并验证了其催化性能。相关工作发表在Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 20992-21002。该研究得到了国家自然科学基金(51531003; 51471074; 51771077);科技部973项目(2015C856801) 以及国家重点研发计划(2016YFB1100101) 等项目资助

图文解析

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图1 3D打印技术制备不同形状非晶合金以及3D打印技术和脱合金化原理示意图
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图2 3D NP-Cu催化剂显微结构表征(SEM, XRD, XPS)

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图3 3D NP-Cu催化剂显微结构表征(TEM)
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图4 不同工艺对3D NP-Cu催化剂催化效率的影响
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图5 3D NP-Cu催化剂与其他催化剂性能对比
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图6 3D NP-Cu催化剂降解复杂染料以及去除COD性能
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图7 3D NP-Cu催化剂循环稳定性
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图8 3D NP-Cu催化剂降解后结构表征(SEM, XPS, TEM)
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图9 3D NP-Cu催化机理研究
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图10 3D NP-Cu催化反应机理

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图11 3D NP-Cu催化降解反应路径
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图12 3D 打印纳米多孔风扇及其催化降解性能展示

作者介绍
柳林:非晶态材料研究室负责人,华中科技大学教授(二级),博士生导师,华中学者杰出岗,材料成形与模具技术国家重点实验室副主任。1984年毕业于华中工学院获工学学士学位,1992年毕业于中科院固体物理所获理学硕士学位,2000年毕业于华中理工大学获工学博士学位。1984-1993年在中科院固体所工作,1993-1996年在意大利新技术、能源、环境研究中心(ENEA)合作研究;1998至今在华中科技大学工作,其间,于2002-2004年在香港理工大学作合作研究。先后入选教育部“优秀青年教师资助计划”、教育部“新世纪优秀人才支持计划”、湖北省高层次人才工程及武汉市学科带头人计划。是国家自然科学基金委员会专家评审组成员,中国材料学会非晶材料分会、中国金属学会非晶合金分会委员(理事)。担任《AIMS Materials Science》、《Scientific Reports》等学术期刊编委。作为主讲教师之一所讲授的《工程材料学》获湖北省精品课程,获华中科技大学“优秀研究生导师”称号、华中科技大学教学成果二等奖、华中科技大学“三育人奖”及“伯乐奖”。已毕业博士生20余名,硕士生50余名。主要从事非晶合金及非晶涂层、纳米多孔材料、3D打印、亚稳相变等方向的研究。近年来,先后承担973课题,国家自然科学基金重点项目和面上项目,国防预研重点项目,香港RGC基金(Co-PI)等30余项, 累计纵向科研经费2500余万元,获国家发明专利15项。在Nat Comm、 Acta Mater、Acta Biomater、JMCA、Corr Sci, APL等材料科学领域的著名期刊上发表论文170余篇,SCI他引3000余次,30余次国际会议上做邀请报告。

张诚:华中科技大学副教授,工学博士,博士生导师, 材料成形与模具技术国家重点实验室“青年优材”人才计划入选者(2018)。2012年在华中科技大学获博士学位。2011年、2016年赴香港理工大学从事合作研究。目前主要从事非晶涂层、3D打印非晶合金及功能性质研究。先后主持国家自然科学基金2项,国家重点研发计划子项目1项,中国博士后科学基金2项,清华大学摩擦学国家重点实验室开放课题1项, 华中科技大学青年人才引进基金以及自主创新基金2项。作为技术骨干参加总装预研项目1项,国自科重点基金与面上项目4项。在Journal of Materials Chemistry A, Acta Materialia, Electrochimica Acta,  Corrosion Science, Applied Physics Letters等期刊上发表SCI学术论文30余篇。论文被引用740余次,获中国发明专利6项。

来源:柳林教授课题组


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