【引言】

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。

【成果簡介】

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。

【圖文導讀】

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

文獻鏈接：Excellent degradation performance of 3D hierarchical nanoporous structures of copper towards organic pollutants (Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 20992)