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三維多孔結(jié)構(gòu)鑄就高效催化降解性能

來源：杰呈3D打印發(fā)布時(shí)間：2025-11-04 11:14:48 瀏覽次數(shù)：0次

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3D NP-Cu催化劑相關(guān)研究

3D打印技術(shù)成功制備了柵格狀Zr基非晶合金，并結(jié)合化學(xué)脫合金化技術(shù)在其表面制備了一層納米多孔銅，得到了一種三維分級多孔納米銅(3D NP-Cu)催化劑。研究了3D NP-Cu催化劑對甲基橙的催化降解行為，揭示了3D NP-Cu高催化活性的來源，探索了甲基橙降解路徑并展示了3D NP-Cu可工業(yè)化應(yīng)用的前景。

研究結(jié)論

制備方式及應(yīng)用前景：3D打印技術(shù)結(jié)合脫合金化技術(shù)是一種很好的制備分級毫米/納米多孔金屬催化劑的方式，具有一定的工業(yè)化應(yīng)用前景。
催化降解活性：
- 3D NP-Cu催化劑對甲基橙等染料分子具有優(yōu)良的催化降解活性。在30 min內(nèi)能去除90%以上的染料分子，去除近90%的COD值，其降解甲基橙的反應(yīng)速率常數(shù)為0.147 min?1，比傳統(tǒng)商用催化劑Cu2?和銅粉分別高出約14倍和4倍。
- 同時(shí)3D NP-Cu依舊具有較好的催化循環(huán)穩(wěn)定性，在循環(huán)利用5次之后降解效率沒有發(fā)生明顯下降。
催化活性來源：
- 3D NP-Cu催化劑的良好的催化活性來源于其獨(dú)特的三維分級多孔結(jié)構(gòu)，能夠顯著增加催化劑的比表面積，其比表面積約為非晶粉末或條帶的660倍，從而增加了催化劑表面活性位點(diǎn)數(shù)量。
- 同時(shí)，毫米/納米多孔結(jié)構(gòu)加速了反應(yīng)過程中的物質(zhì)傳輸，使得反應(yīng)物能夠更加方便的接近活性位點(diǎn)。
- 此外脫合金化過程中形成的均勻分布的Cu?O在催化降解過程中同樣扮演了關(guān)鍵性角色，如高效催化雙氧水分解，光催化降解有機(jī)污染物等。

非晶態(tài)合金相關(guān)研究

非晶態(tài)合金性能優(yōu)勢：非晶態(tài)為前驅(qū)體進(jìn)行脫合金化后可制備良好催化降解性能的分級多孔芬頓催化劑，但是制備方式較為復(fù)雜，需要結(jié)合3D打印技術(shù)和脫合金化技術(shù)。研究表明，非晶合金原子排布長程無序、短程有序，表面配位數(shù)低，是一種性能優(yōu)良的催化降解污水的材料。據(jù)報(bào)道非晶態(tài)合金與目前常用的催化劑相比，其具有更高的催化H?O?分解的本征活性。Fe SiB和Fe SiBCuNb非晶條帶催化分解H?O?產(chǎn)生·OH的速率比目前常用芬頓催化劑的高了一個(gè)數(shù)量級，在降解有機(jī)染料的過程中Fe SiB非晶條帶表現(xiàn)出了較納米零價(jià)鐵塊100倍的效率。賈喆等人報(bào)道Fe SiBPC非晶合金條帶在重復(fù)使用35次時(shí)，降解反應(yīng)效率依舊沒有明顯降低。
常用形態(tài)問題：然而目前常用的非晶合金催化劑的常用形態(tài)為粉狀和條帶狀，這會(huì)造成兩方面的問題：
- 催化劑比表面積小，限制了其催化降解能力。
- 降解完成后與水體的分離較為困難，增加了處理成本。
3D打印技術(shù)優(yōu)勢：利用3D打印技術(shù)成型多孔狀非晶合金有助于克服這些問題，同時(shí)，在技術(shù)上更為簡便，有利于節(jié)省成本。

提升催化降解性能方向

雙金屬催化劑研究：如何進(jìn)一步提高非晶合金的催化降解性能是目前普遍關(guān)注的一個(gè)問題。據(jù)報(bào)道，雙金屬催化劑較單組元催化劑具有更高的催化降解效果，吸引了科研界較多的關(guān)注。因?yàn)殍F銅之間的正協(xié)同作用，金屬銅經(jīng)常被用于與鐵組合形成Fe/Cu雙金屬催化劑，目前是芬頓化學(xué)中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。Wang等人報(bào)道了負(fù)載在有序介孔碳上的Fe/Cu雙金屬催化劑比負(fù)載在有序介孔碳上的單組元Fe、Cu催化劑具有更高的催化降解活性。這說明通過在單組元催化劑中引入第二相能有效增加催化劑的催化降解能力。這在非晶合金催化劑中亦有類似的報(bào)道。
晶化處理研究：陳雙琴等人通過將Fe SiCuNbB非晶合金晶化后發(fā)現(xiàn)性能反而有所提高，研究者認(rèn)為是晶化相和非晶態(tài)合金之間的原電池效應(yīng)導(dǎo)致的性能提高。然而，非晶合金中原位生成的晶化相的種類、分布難以有效調(diào)節(jié)。