三種原電池結構！提高鐵基非晶合金催化降解汙染物的性能

2020-06-14 材料material

導讀：深圳大學謝盛輝等人針對合金成分的影響，尤其是硼元素，做了大量研究，通過一系列表徵驗證了鐵基金屬玻璃和晶態合金中的原電池結構，並對鐵基金屬玻璃晶化後的性能變化的機理作出解釋，進一步完善非晶合金結晶後催化降解性能變化的機理。同時將這一原電池結構與應用更廣泛的零價鐵相結合，為未來鐵基金屬材料在催化領域的應用提供了新的思路。


零價鐵(ZVI)在還原降解和芬頓催化降解水體汙染物領域具有著天然的優勢，在過去的幾十年內都收到了廣泛的關注，關於改性零價鐵的相關研究成果也是層出不窮。相較於具有有序原子排列的零價鐵和晶態的鐵基合金，鐵基金屬玻璃（MGs）或非晶合金的原子排列形式是呈長程無序的狀態，在熱力學上呈亞穩態，更易發生一系列反應。目前關於鐵基金屬玻璃在催化科學領域的應用已有大量的研究，並驗證了其優於晶態合金的性能。然而在最近幾年，一些文獻報導了鐵基金屬玻璃結晶後後回升的降解性能，這為進一步提升鐵基金屬的催化降解性能帶來了新的思路和希望，然而關於鐵基金屬玻璃結晶後性能提高的機理仍不清楚。在這一課題研究中，研究者常常專注於研究金屬玻璃的原子排列形式為它帶來的改變，而忽略了合金成分這一關鍵因素。

近日，深圳大學謝盛輝副教授等人研究發現，合金成分對結晶的鐵基金屬玻璃的催化降解性能的影響是不可忽視的，尤其是硼元素。具有不同硼含量的鐵基金屬玻璃Fe-Si-B晶化後其催化降解性能變化趨勢截然不同：低硼含量的Fe-Si-B金屬玻璃晶化後其降解性能發生大幅度下降，而高硼含量的Fe-Si-B金屬玻璃晶化後其降解性能發生明顯的提高。同時，作者發現硼含量對鐵基金屬玻璃的降解性能也具有一定的促進作用。結合電化學表徵、TEM結構表徵以及DFT第一性原理計算，研究了硼對鐵基金屬玻璃和鐵基晶態合金催化降解偶氮染料性能的影響。相關論文「The pivotal role ofboron in improving the azo dye degradation of glassy Fe-based catalysts」以當期封面論文的形式發表在ChemCatChem上。


本文連結：

https://doi.org/10.1002/cctc.201901623

三種原電池結構！提高鐵基非晶合金催化降解汙染物的性能

三種原電池結構！提高鐵基非晶合金催化降解汙染物的性能

圖1 非晶合金Fe-Si-B結晶前後的物相及降解性能


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圖2 不同鐵基金屬間化合物的電化學表徵及降解性能

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圖3 Fe-Si-B金屬玻璃的TEM表徵

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圖4 Fe-B基金屬間化合物的DFT第一性原理計算

三種原電池結構！提高鐵基非晶合金催化降解汙染物的性能

圖5 三種原電池結構示意圖

文中，作者結合電化學表徵及TEM表徵提出了三類可以促進催化降解性能的原電池結構：第一類原電池由非晶組織中的富鐵團簇和貧鐵團簇組成的；第二類原電池由硼與非晶組織組成；第三類原電池由不同的晶粒組成。通過DFT第一性原理計算分析了Fe-B基金屬間化合物的電子云密度，發現其鐵原子周圍具有更富集的電子密度，這也為這一類金屬間化合物中的鐵原子提供了更多可參與反應的電子，從而也會使結晶後的合金催化降解性能明顯提高。實驗與數據分析在深圳大學謝盛輝副教授的指導下完成，其碩士研究生解嶽霖為本文的第二作者。

在以上基礎上，作者利用上述第三類原電池結構，對建築級零價鐵顆粒的催化降解性能進行改性，通過球磨+燒結的方法在零價鐵顆粒表面製備出具有疏鬆多孔結構的Fe2B晶粒（Fe-Fe2B），並研究了硼含量以及燒結時間對Fe-Fe2B催化降解性能的影響。相關論文以題為「A dramatically improved degradation efficiency of azo dyes by zero valent iron powders decorated with in-situ grown nanoscale Fe2B」發表在Journal of Alloys and Compounds上。


本文連結：

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155818


三種原電池結構！提高鐵基非晶合金催化降解汙染物的性能

圖6 硼含量對Fe-Fe2B降解性能的影響

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圖7 燒結時間對Fe-Fe2B降解性能的影響

三種原電池結構！提高鐵基非晶合金催化降解汙染物的性能

圖8 Fe-Fe2B催化劑的TEM表徵

作者基於原電池結構設計並成功製備了具有優異性能的Fe-Fe2B催化劑，並發現硼含量適中（文中為17 at%）以及較短的燒結時間可以明顯改善催化劑表面的Fe2B的含量和結構，使原電池結構可以有效地運作，從而提高其催化性能。本文在深圳大學謝盛輝副教授的指導下完成，碩士生解嶽霖為本文的第一作者。

綜上，作者針對合金成分的影響，尤其是硼元素，做了大量研究，通過一系列表徵驗證了鐵基金屬玻璃和晶態合金中的原電池結構，並對鐵基金屬玻璃晶化後的性能變化的機理作出解釋，進一步完善非晶合金結晶後催化降解性能變化的機理。同時將這一原電池結構與應用更廣泛的零價鐵相結合，為未來鐵基金屬材料在催化領域的應用提供了新的思路。

深圳大學謝盛輝副教授課題組主要從事新型金屬材料，包括非晶合金的成分、結構及性能研究，主要集中在非晶合金的強度、增韌以及催化等方面的性能及產業化應用開發研究。


文：解嶽霖。感謝謝盛輝課題組的大力支持。

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