Mater. Des.：高能超声应力振荡下工业Fe-Si-B非晶合金废料旧颜换新貌：作为高效合金催化剂降解合成染料废液

【研究背景】

合成染料在纺织工业中广泛应用，但对环境并不友好。为了减少染料的有害影响，需要探索多种有效的染料降解方法。由于非晶合金处于亚稳态、内部残余应力高且表面非饱和位点密度高等特点，因此表现出良好的降解能力。另一方面，Fe₇₈Si₉B₁₃ 非晶合金作为一种商用铁基非晶合金，在变压器磁芯等领域有着广泛的工业应用。而器件更换过程中会产生大量的工业 Fe-Si-B 非晶合金废料，因此需要找到一种有效的方法来回收利用这些工业废料。研究表明，Fe-Si-B 非晶合金可以通过类芬顿反应降解合成染料。并且为了进一步提高其降解性能，可将非晶合金进行球磨处理来增加比表面积从而提供更多的反应位点。但是球磨过程需要在高真空环境中进行，以防止形成表面氧化层导致其降解能力降低。因此，开发高效、省时的方法来提高非晶催化剂的降解能力是一项紧迫的任务。

【成果简介】

近日，东南大学材料科学与工程学院袁晨晨副教授（通讯作者）和沈宝龙教授（共同通讯作者）指导硕士生吕祝薇（第一作者），联合深圳大学机电与控制工程学院马将研究员（共同通讯作者）、闫玉强（共同第一作者）、上海大学黄波副研究员、中科院宁波材料技术与工程研究所王军强研究员、宁波中科毕普拉斯新材料科技有限公司霍利山博士、香港城市大学王循理教授、中科院物理研究所汪卫华研究员等合作者，使用紫外光谱仪结合 Nano-CT 对超声应力振荡后 Fe-Si-B 非晶合金粉末的合成染料降解性能进行了深入研究。相关研究成果以题名为“Making Fe-Si-B amorphous powders as an effective catalyst for dye degradation by high-energy ultrasonic vibration”发表在 Materials and Design 杂志上(Materials and Design, 194 (2020) 108876) https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108876，专利公开号：GN 109434120 A。

研究人员采用超声振动对工业 Fe₇₈Si₉B₁₃ 非晶合金粉末进行二次处理，研究了这种处理工艺对催化降解染料废液效率的影响。结果发现超声应力振荡可以显著改善工业 Fe₇₈Si₉B₁₃ 非晶合金粉末对亚甲基蓝的降解性能。根据 Nano-CT 和SEM 分析发现，Fe₇₈Si₉B₁₃ 颗粒表面或内部形成了有利于快速传质的微通道，见图 1。并且超声振动后的粉末发生结构回春，为降解反应提供了大量低密度、高能量的反应位点（图 2 和图 3）。同时，根据伪一级动力学模型分析发现，超声应力振荡后的粉末参与的反应活化能降低。这些工作不仅极大地降低了目前废水处理的成本，而且为通过高频机械振动技术控制非晶合金的势能状态以改善合金催化剂的效率提供了一个颇具前途的有效途径。

该项研究得到国家自然科学基金（Grant No. 51631003, 51571170, 51901122, 51601038）、江苏省自然科学基金（Grant No. BK20171354）、江苏省先进金属材料重点实验室（Grant No. BM2007204）、深圳市科技创新委员会（Grant No.JCYJ20170412111216258）、北京正负电子对撞机项目（Grant No. 2018-BEPC-PT-001852）、香港研究资助局（Grant No. CityU 11216215）、裘槎基金会（Grant No.CityU 9500034）和科技部（Grant No. 2016YFA0401501）等项目的支持。

【图文导读】

图 1. Nano-CT 结构重建：(a) 0 J 和(b) 750 J 两种能量超声振动 Fe₇₈Si₉B₁₃ 非晶合金颗粒表面形貌；(c) 0 J 和(d) 750 J 两种能量超声振动 Fe₇₈Si₉B₁₃ 非晶合金颗粒截面图。

图 2. 工业 Fe₇₈Si₉B₁₃ 非晶合金粉末作为催化剂降解染料废液原理示意图（超声应力振荡前后）。

图 3. 超声应力振荡对非晶合金能量调控示意图。

本文由东南大学非晶合金研究组投稿。