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3D打印非晶合金多孔框架的制備與治污潛力

來源：杰呈3D打印發(fā)布時(shí)間：2025-11-05 11:19:21 瀏覽次數(shù)：0次

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3D打印技術(shù)制備催化劑及其性能研究

3D打印技術(shù)成功制備了一種三維雙金屬(3D MG/Cu)催化劑，并研究了3D MG/Cu催化劑對(duì)羅丹明B的催化降解行為，揭示了3D MG/Cu高催化活性的來源，展示了3D MG/Cu可工業(yè)化應(yīng)用的前景。得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

3D MG/Cu催化劑對(duì)羅丹明B的降解性能
- 3D MG/Cu催化劑對(duì)羅丹明B分子具有優(yōu)異的催化降解活性和穩(wěn)定性。其反應(yīng)速率常數(shù)為0.64 min?1，遠(yuǎn)高于目前大多數(shù)非晶態(tài)合金催化劑的降解速率。
- 同時(shí)3D MG/Cu能有效降低有機(jī)廢水的COD值：反應(yīng)1.5 h后，混合染料溶液的COD去除率約為74%；諾氟沙星溶液和雙酚A溶液在反應(yīng)8 h后COD去除率約為83%和70%。
- 此外，3D MG/Cu具有超高的催化循環(huán)穩(wěn)定性，可重復(fù)使用73次而降解效率沒有明顯下降，循環(huán)次數(shù)為目前文獻(xiàn)報(bào)道的最高值。
3D MG/Cu催化劑優(yōu)異催化活性的來源
- MG具有高本征催化活性。
- MG與Cu之間的原電池效應(yīng)加速了催化劑的電荷轉(zhuǎn)移能力。
- MG與Cu之間的協(xié)同效應(yīng)，加速了Fe3?向Fe2?的轉(zhuǎn)變，從而加速了催化降解效率。
- 其獨(dú)特的三維多孔結(jié)構(gòu)，能夠加速反應(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)。
3D MG/Cu催化劑的催化穩(wěn)定性保證因素
- 3D MG/Cu催化劑表面穩(wěn)定，在催化降解過程中氧化物生長(zhǎng)速率慢，不易覆蓋催化劑表面。
- 同時(shí)3D MG/Cu表面局部區(qū)域在降解過程中自發(fā)形成納米多孔結(jié)構(gòu)，增加了表面的反應(yīng)活性位點(diǎn)數(shù)量。
- 這兩個(gè)因素保證了3D MG/Cu的優(yōu)異的催化穩(wěn)定性。

水污染治理與非晶態(tài)合金催化劑研究

水污染嚴(yán)重威脅到生物圈所有生物的健康生存，如何治理水污染是目前亟待解決的一個(gè)問題。據(jù)報(bào)道非晶態(tài)合金能高效降解水體中有機(jī)污染物，為廉價(jià)高效地解決水體污染問題灑下了一縷陽光。但現(xiàn)用的非晶條帶和粉末存在比表面積小、分離困難等問題。

非晶合金多孔框架的制備與研究
- 通過激光選區(qū)熔化3D打印方法成功制備了非晶合金多孔框架，研究了構(gòu)型對(duì)3D打印非晶合金的結(jié)構(gòu)影響。
- 結(jié)合脫合金化技術(shù)，成功制備了易于分離的三維分級(jí)納米多孔銅催化劑，研究了該催化劑對(duì)甲基橙染料的降解行為及催化機(jī)理。
非晶合金/銅復(fù)合三維雙金屬催化劑的制備與研究
- 為提高非晶合金的催化性能，通過3D打印技術(shù)制備了一種易分離的非晶合金/銅復(fù)合的三維雙金屬催化劑，并研究了催化劑對(duì)羅丹明B等有機(jī)污染物的催化降解行為，并提出了催化性能提高的原因。
研究結(jié)果
- 激光選區(qū)熔化技術(shù)：適合于成形制造形狀復(fù)雜的多孔非晶合金，且成形精度高。3D打印制備的Zr基非晶合金含量高，約在74%~90%。3D打印Zr基非晶合金中有兩個(gè)區(qū)域：熔池和熱影響區(qū)，熔池內(nèi)合金為純非晶結(jié)構(gòu)，熱影響區(qū)內(nèi)發(fā)生部分晶化。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，孔洞狀結(jié)構(gòu)有助于提升非晶含量，主要原因是孔洞結(jié)構(gòu)邊界較多，邊界處熔池不受約束導(dǎo)致的。
- 脫合金化工藝：建立了脫合金化工藝與納米多孔銅孔徑之間的關(guān)系。比較了不同幾何形狀的三維分級(jí)多孔催化劑的催化性能，發(fā)現(xiàn)三維立體結(jié)構(gòu)較立方塊狀樣品具有更高的催化降解甲基橙的能力。這是因?yàn)榉旨?jí)多孔催化劑的毫米級(jí)孔洞有助于提升催化劑的比表面積，同時(shí)有利于甲基橙分子和OH的擴(kuò)散。
- 柵格狀三維分級(jí)多孔催化劑(3D NP-Cu)：對(duì)甲基橙等染料分子具有較高的催化降解活性。在30 min內(nèi)能去除90%以上的染料分子，去除近90%的COD值。同時(shí)3D NP-Cu依舊具有良好的催化循環(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。其良好的催化活性來源于其獨(dú)特的三維分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，能夠加速反應(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。