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3D打印非晶合金脱合金化及催化性能研究

来源：杰呈3D打印发布时间：2025-10-31 17:30:50 浏览次数：0次

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3D打印非晶合金的结构与脱合金化研究

3D打印非晶合金由完全非晶的熔池区和部分晶化的热影响区组成。值得思考的是，该非均匀结构对脱合金化是否有影响。在脱合金化后，Zr基非晶合金表面观察到的是均匀的纳米多孔结构，并未观察到类似熔池和热影响区的分层结构。这表明，3D打印样品中熔池和热影响区的区别不足以影响脱合金化后纳米多孔层的结构。

脱合金化工艺与纳米多孔结构关系

3D打印Zr基非晶合金的脱合金化工艺，建立了HF浓度、脱合金化时间以及纳米多孔孔径大小之间的关系。在最佳脱合金化工艺（即0.008 M HF溶液中浸泡60 h）下，在不同几何形状非晶合金表面制备纳米多孔铜层，并研究了这些样品对甲基橙的降解能力。得到如下结论：

非均匀结构影响：3D打印Zr基非晶合金中非晶态的熔池与部分晶化的热影响区对脱合金化过程没有明显影响。
孔径调控：调控HF浓度和浸泡时间能够明显改变得到的纳米多孔铜的平均孔径，调控范围为20.5-63.6 nm。一般地，脱合金化时间越长，平均孔径越大；HF浓度越高，平均孔径越大。
几何形状影响：非晶合金几何形状对脱合金化后样品的降解能力有影响，栅格状样品催化降解性能明显优于块体样品。多孔非晶催化剂的毫米/纳米结构有助于提升催化剂的比表面积、增加活性位点。脱合金化后栅格结构的表面积分别为孔洞状样品和立方块状样品的3倍和19倍。同时，毫米/纳米多孔结构有利于甲基橙分子和OH的扩散，加快降解反应。
催化性能：3D打印和脱合金化法构筑的多孔催化剂具有优异的催化降解性能和良好的循环稳定性。

Fenton催化剂的研究意义与现状

制备具有高催化降解活性和高稳定性的Fenton催化剂对染料废水治理具有极其重要的科研意义和工业应用前景。结合3D打印和脱合金化技术，成功构筑了一种毫米/纳米分级孔状Fenton催化剂。该催化剂表现出了良好的催化活性和循环稳定性。然而，基于Fenton的高级氧化法的降解效率与反应条件密切相关，仅研究了一种反应条件，是否为催化剂的最佳工作状态并不清楚。其次，毫米/纳米分级多孔催化剂高催化活性和高稳定性的机理并未具体阐明。揭示反应机理，找到具体的高催化活性原因对开发新型高效催化剂具有指导意义。

催化剂制备与表征

制备过程：
- 利用3D打印技术成型栅格状Zr基非晶合金，然后通过脱合金化制备毫米/纳米分级多孔催化剂。
- 以甲基橙为目标染料，系统性地研究反应条件对催化性能的影响。系统性地表征了催化剂在反应的微观结构，并通过猝灭实验揭示降解反应的活性物种，同时还研究了甲基橙分子的降解路径。
- 基于分析结果，建立了催化剂成分、结构与性能之间的关系。
- 为了获得分级纳米多孔结构，SLM成形的栅格结构从基板上切割下来，经过简单的清洗后进行脱合金化。将栅格状样品放入含有0.008 M HF和1 M H₂SO₄的混合溶液中浸泡自由腐蚀60 h。
- 为了稳定纳米多孔铜层，增强纳米多孔铜层与基底的结合力，脱合金化之后的样品在真空退火炉中在400℃下退火2h。至此，获得了三维毫米/纳米分级多孔铜催化剂。
表征方法：
- 利用Philips χ’Pert Pro型XRD (Cu Kα)对3D NP-Cu的相结构进行了初步的分析。
- 通过配备有能谱仪(EDX)的TEM (Tecnai G2 F20)对3D NP-Cu的微观结构进行了观察。具体的TEM样品制备方法如下：小心地将3D NP-Cu的支柱掰下，放入无水乙醇中超声，纳米多孔铜会破碎分散到无水乙醇中，然后通过钼网将样品捞出，烘干后便可进行TEM观测。
- 纳米多孔铜的显微形貌通过场发射扫描电子显微镜(FESEM, Sirion 200)进行观察。