【前言】

金屬玻璃以其良好的力學(xué)性能，耐腐蝕及獨(dú)特的軟磁性能等特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)和新的功能性應(yīng)用上得到越來越多的關(guān)注。近年來，鐵基金屬玻璃在工業(yè)廢水處理上引起了科學(xué)界以及工業(yè)界極大的興趣。然而，由于在廢水處理的過程中反應(yīng)環(huán)境多數(shù)是在酸性條件下進(jìn)行(芬頓或類芬頓反應(yīng))，鐵基金屬玻璃催化劑目前存在催化效率和穩(wěn)定性不能同時(shí)兼顧。例如，在金屬玻璃成分中微量加入Nb, Cr等元素，其催化穩(wěn)定性得以極大的提升但是催化效率會(huì)大大的降低。如何調(diào)控鐵基金屬玻璃的成分使其同時(shí)擁有極高的催化效率以及穩(wěn)定性是一個(gè)關(guān)鍵而富有挑戰(zhàn)的課題。

【成果簡介】

近日，香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授(通訊作者)課題組通過微合金化調(diào)節(jié)鐵基金屬玻璃條帶?(原子比為Fe₈₃Si₂B₁₁P₃C₁)的原子排位情況，從而有效的調(diào)控電子結(jié)構(gòu)，使其表面電子發(fā)生離域促使在催化過程中得到更有效的電子轉(zhuǎn)移，廢水處理效率得到極大的提升。更重要的是，在催化過程中，鐵基金屬玻璃條帶會(huì)發(fā)生原位自重構(gòu)，自發(fā)的生成多層梯度結(jié)構(gòu)，極大的提高了廢水處理中的穩(wěn)定性。這種新型鐵基金屬玻璃催化劑很好地滿足了上述催化效率和穩(wěn)定性不能同時(shí)兼顧的需求。研究發(fā)現(xiàn)，微量添加的P原子只與Fe原子發(fā)生配位形成Fe-P鍵，其適中的電負(fù)性和鍵長(2.25??)能夠穩(wěn)定Fe原子的非晶態(tài)并且擁有更高的活性位點(diǎn)及導(dǎo)電性。此外由于P元素的添加，金屬玻璃條帶表面電子態(tài)密度在費(fèi)米能級(jí)處更為平緩，意味著表面電子發(fā)生離域從而使得電子轉(zhuǎn)移效率極大的提升。由于這種獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該鐵基金屬玻璃條帶具有極高的工業(yè)廢水處理能力，在不加入任何外界條件刺激下(熱，光，電等)，對(duì)常用的工業(yè)染料(羅丹明，甲基藍(lán)，甲基橙及混合液)在30分鐘內(nèi)可實(shí)現(xiàn)全部褪色。并且，與傳統(tǒng)的芬頓反應(yīng)環(huán)境(pH 3-5)相比，微量添加過氧硫酸鹽(2mM)可不必調(diào)控苛刻的酸性反應(yīng)條件，廢水可直接被快速降解。同時(shí)，在循環(huán)使用過程中，金屬玻璃條帶會(huì)自發(fā)形成多層梯度結(jié)構(gòu)，對(duì)活性位點(diǎn)的保護(hù)，過氧硫酸鹽的吸附與激發(fā)，及良好的離子滲透性提供了有利保障。研究表明，此金屬玻璃條帶的循環(huán)次數(shù)高達(dá)35次且保持同樣的催化效率，為工業(yè)化污水處理提供了廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)研究結(jié)果被選為back cover發(fā)表在Advanced Functional Materials上，文章的第一作者為賈喆(香港城市大學(xué)高級(jí)副研究員)和王慶(上海大學(xué)材料研究所/香港城市大學(xué))研究員。

【圖文導(dǎo)讀】圖1?催化性能

a)不同有機(jī)污染物褪色的視覺效果；b)?不同有機(jī)污染物褪色效率；c)?不同有機(jī)污染物總有機(jī)碳去除率；d)與其他鐵基催化劑降解效率的對(duì)比； e)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)能的對(duì)比；f)?Fe₈₃Si₂B₁₁P₃C_1?金屬玻璃條帶催化穩(wěn)定性

圖2?催化性能的比較

圖3?結(jié)構(gòu)分析

a)原始非晶條帶與催化使用后的非晶條帶的XPS結(jié)果；b) 使用后非晶條帶的三維原子探針技術(shù)分析；c) 使用后非晶條帶的截面高分辨球差透射電鏡分析；d,e,f) 圖c中放大高分辨球差透射電鏡分析；g)非晶基體的選區(qū)電子衍射分析；h) Fe, P, S, O的電子能量損失分析

圖4?原理示意圖

本工作采用簡便、可大規(guī)模生產(chǎn)的單輥甩帶法制備了鐵基金屬玻璃條帶(原子成分Fe₈₃Si₂B₁₁P₃C₁)用于工業(yè)廢水處理的研究。此鐵基金屬玻璃條帶作為環(huán)境催化劑，在催化效率和穩(wěn)定性方面均表現(xiàn)出良好的催化性能。通過第一性原理計(jì)算證實(shí)，少量添加的P元素可以有效調(diào)節(jié)非晶原子的排位狀況從而使得條帶表面電子發(fā)生離域作用使得電子轉(zhuǎn)移效率提高，電子轉(zhuǎn)移的加快促進(jìn)了過硫酸鹽的激發(fā)從而對(duì)有機(jī)污染物降解起到了決定性的影響。更重要的是，此鐵基金屬玻璃催化劑具有原位自重構(gòu)能力，在重復(fù)使用35次后催化效率并沒有出現(xiàn)明顯降低，是目前發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性最好的環(huán)境催化劑。此外，該金屬玻璃可直接作為廢水處理的環(huán)境催化劑，不需要任何附加條件(溫度、紫外可見光輻照、電場(chǎng))，具備很大的工業(yè)應(yīng)用潛力。本研究為設(shè)計(jì)低成本、高效、耐用的環(huán)境催化劑提供了直接的實(shí)驗(yàn)理論依據(jù)，更重要的是為合成非貴金屬催化劑在催化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了新的思路。

【團(tuán)隊(duì)在金屬玻璃研究領(lǐng)域工作匯總】

呂堅(jiān)教授團(tuán)隊(duì)在金屬玻璃領(lǐng)域工作多年，一直關(guān)注金屬玻璃的原子尺度的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能提高的研究，曾經(jīng)在Nature Materials(2010, 9,?619-623)，Physical Review Letters(2011, 106,?215505),?Nature Communications(2015, 6, 7876), Materials Today (2016，19, 349-362) 等雜志發(fā)表相關(guān)論文。2017年5月在［自然］雜志發(fā)表封面文章介紹了非晶演變出的超納雙相非晶/超細(xì)納米晶全新材料制備和超高的力學(xué)性能及其他特殊性能?(Nature, 2017, 545, 80-83)，最近該研究組開始關(guān)注金屬玻璃的特殊的催化性能。

【相關(guān)優(yōu)質(zhì)文獻(xiàn)推薦】

1.Atomistic free-volume zones and inelastic deformation of metallic glasses. Nature Materials. 2010, 9, 619-623.

2.Atomic-scale structural evolution and stability of supercooled liquid of a Zr-based bulk metallic glass. Physical Review Letters. 2011, 106,?215505.

3.Unusual fast secondary relaxation in metallic glass. Nature Communications.2015, 6, 7876.

4.Universal secondary relaxation and unusual brittle-to-ductile transition in metallic glasses, Materials Today, 2017,20, 293-300.

5.Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys. Nature, 2017, 545, 80-83.

文獻(xiàn)鏈接：Attractive In Situ Self-Reconstructed Hierarchical Gradient Structure of Metallic Glass for High Efficiency and Remarkable Stability in Catalytic Performance (Advanced Functional Materials, 2019, 29，1807857. DOI: 10.1002/adfm.201807857)

本文由香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授課題組供稿。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的between and 效率_香港城市大学吕坚教授Adv. Funct. Mater.: 铁基金属玻璃在工业废水处理上再次突破，实现催化效率与稳定性双提升...的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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