近日，2019级硕士研究生龙露与2021级硕士生徐凯吉在3D打印催化剂降解污染物领域取得了新进展，相关研究成果以“Highly Active Mn-Cu Bimetallic Oxide Catalyst Assembled as 3D-printed Monolithic Agitating Paddles for Advanced Oxidation Process”为题在线发表在Chemical Engineering Science期刊。

 

据悉，Chemical Engineering Science是1951年美国出版的研究领域为工程技术-工程化工的学术刊物。自1951年以来，Chemical Engineering Science（CES）一直在发表关于化学工程基础的论文，属于国际化工领域公认的三大顶级期刊之一。

 

高级氧化工艺（AOP）被认为是一种很有前途的处理含有各种有毒和难降解污染物的废水的技术。该工艺主要（但不限于）基于产生非常活泼的羟基自由基，其具有强氧化能力、高加工效率和无辅助后处理的特点。迄今为止，催化剂材料通常是金属基催化剂，这些催化剂是粉末基的，难以回收和再循环用于下一批反应，因此限制了它们在工业应用中的实用性和可行性。此外，粉末基催化剂在苛刻的反应条件下容易烧结或团聚，尤其是在纳米范围内。为了解决这个问题，可以使用三维（3D）打印技术组装粉状催化剂（颗粒状），该技术对复杂结构的构建具有高度灵活性，并快速准确地响应设计变更。其中DIW方法能够作为一种合适的3D打印技术用于打印可以均匀分散的各种催化或吸附材料，它可以很容易地从反应体系中分离出来，并且可以用于下一批反应，而不需要额外的分离过程，有效地解决了粉末基材料遇到的问题。

 

因此，在本研究中，我们制备了多组分金属氧化物纳米材料，并通过3D打印技术将其集成到整体催化剂中，然后将其组装到搅拌桨中。设计了具有不同细胞密度的三种不同图案，以研究三维图案对AOP反应催化性能的影响。基于Mn-BTC作为模板和前体，分别掺杂Ce、Cu和Fe三种金属元素以形成四种不同的MOFs，然后进行热分解方法以获得各种MMONs。随后，将表现出最佳催化性能的衍生Mn-Cu双金属催化剂（表示为Mn-Cu（MMON））与聚合物凝胶混合以形成光滑的油墨浆料，并通过DIW技术挤压成整体3D网格。三个印刷网孔被设计为具有固定尺寸，但具有不同的网孔密度（每平方英寸网孔144、256和484 cpsi）。然后将整体催化剂组装到搅拌桨中，然后安装在搅拌反应器的中心轴上，用于催化降解染料。

 

研究发现，粉末状的Mn-Cu氧化物衍生物在AOP反应中表现出最高的降解速率，显著高于单一金属氧化物以及Mn-Fe和Mn-Ce氧化物。原因是Mn-Cu之间的协同作用促进了Mn³⁺和Cu⁺物种的形成，以促进AOP反应。此外，3D打印整体搅拌桨在有机染料降解上发现具有更高孔密度（484 cpsi）的3D打印网格具有更好的液体混合效率，从而具有更好的催化性能，可以重复使用七次以上。此外，实验结果和模拟分析均证实，具有更大单元密度的3D网格在反应物质和整体式催化剂叶片之间产生更好的混合效率。

综上所述，实验结果和数值模拟分析表明，本文设计的集成催化剂叶片具有良好的传质效率和增强的反应物扩散。这项工作将为废水处理中持久的多相催化剂的制备提供一种新的策略。

 

该研究工作得到了国家自然科学基金（Nos. U21A20324&21908073）、福建省自然科学基金（Nos. 2019J01074&2021J06026）等科研项目的资助。

 

 

全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009250922008636