東南大學(xué)《Acta Materialia》：超聲誘導(dǎo)有序化實(shí)現(xiàn)金屬玻璃的卓越催化性能！

隨著紡織、化工等行業(yè)的快速發(fā)展，含有偶氮染料的工業(yè)廢水對(duì)水生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。當(dāng)前，傳統(tǒng)廢水處理技術(shù)因成本高昂、效率有限及穩(wěn)定性不足等問(wèn)題，其應(yīng)用面臨瓶頸。因此，開(kāi)發(fā)新型高效、低成本的催化材料已成為工業(yè)界與科研領(lǐng)域的迫切需求。在這一背景下，非晶合金以其獨(dú)特的無(wú)序原子結(jié)構(gòu)和亞穩(wěn)態(tài)特性，展現(xiàn)出替代傳統(tǒng)晶態(tài)催化劑的巨大潛力。然而，如何有效調(diào)控并進(jìn)一步提升其催化活性，仍是該領(lǐng)域的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

近日，東南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合深圳大學(xué)、中科院高能物理所散裂中子源、山東大學(xué)、上海前瞻物質(zhì)科學(xué)研究院、安徽工業(yè)大學(xué)、香港城市大學(xué)等多家單位在國(guó)際材料科學(xué)頂級(jí)期刊《Acta Materialia》在線發(fā)表題為“Ordering by ultrasonic excitation for achieving an excellent catalytic performance of metallic glasses” （https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121531）的最新研究成果（共同第一作者為李偉博士和阮嘉藝碩士，通訊作者為袁晨晨副教授）。該研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，采用超聲振動(dòng)處理技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了Fe76Cr2Si11B11非晶合金催化劑在降解偶氮染料性能上的突破性提升。同時(shí)借助高能X射線衍射、小角中子散射、高分辨透射電子顯微鏡等先進(jìn)表征技術(shù)深入分析了超聲誘導(dǎo)下非晶合金的結(jié)構(gòu)演化行為與催化性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為高效環(huán)保催化劑的設(shè)計(jì)提供了新思路。

研究團(tuán)隊(duì)基于前期相關(guān)研究工作 [Mater. Des. 194 (2020) 108876]，通過(guò)添加Cr元素成功設(shè)計(jì)出了新型Fe76Cr2Si11B11非晶合金。通過(guò)精準(zhǔn)控制的超聲振動(dòng)處理技術(shù)，在短時(shí)間內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了催化劑結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控。研究表明，超聲處理顯著地改變了催化劑的表面形貌。經(jīng)過(guò)1250 J能量處理的樣品表面出現(xiàn)大量微裂紋、突起等特征，比表面積達(dá)到2.016 m2/g，是未處理樣品的9.25倍，為催化反應(yīng)提供了更多的活性位點(diǎn)，如圖1所示。同時(shí)超聲振動(dòng)誘導(dǎo)了材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有序化轉(zhuǎn)變（見(jiàn)圖2）。

圖1. 超聲誘導(dǎo)Fe76Cr2Si11B11非晶合金粉末表面形貌重構(gòu)。

圖 2. 使用高能X射線觀察不同超聲振動(dòng)能量作用下Fe76Cr2Si11B11非晶合金樣品的結(jié)構(gòu)演化。

令人矚目的是，經(jīng)過(guò)超聲振動(dòng)優(yōu)化的非晶合金催化劑在降解亞甲基藍(lán)溶液時(shí)表現(xiàn)出卓越性能。使用1250 J Fe76Cr2Si11B11非晶合金樣品僅需5分鐘就可實(shí)現(xiàn)亞甲基藍(lán)溶液地完全脫色，與此形成鮮明對(duì)比的是，未處理的鑄態(tài)樣品完成脫色需要140分鐘，催化反應(yīng)速率提升了驚人的28倍，反應(yīng)速率常數(shù)高達(dá)0.751 min?1，比目前主流Fe基非晶合金催化劑提高50%以上，見(jiàn)圖3。

圖3. 超聲處理前后Fe76Cr2Si11B11非晶合金樣品降解亞甲基藍(lán)染料溶液的性能。

通過(guò)小角中子散射（圖4）進(jìn)一步證實(shí)了超聲導(dǎo)致Fe76Cr2Si11B11非晶合金明顯的結(jié)構(gòu)有序化轉(zhuǎn)變，一些納米級(jí)Fe和Fe?B相在非晶基體中析出，形成了穩(wěn)定的納米晶與亞穩(wěn)態(tài)高能非晶基體之間的原電池效應(yīng)，如圖5所示。同時(shí)，表面形貌重構(gòu)為活性物質(zhì)傳輸和電子轉(zhuǎn)移創(chuàng)造了豐富通道，這種微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化與表面形貌重構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)高效催化的關(guān)鍵。

圖4. 不同超聲振動(dòng)能量處理的Fe76Cr2Si11B11非晶合金小角中子散射分析結(jié)果及其結(jié)構(gòu)序演化。

圖 5. 基于有序化過(guò)程中的缺陷和能量演化角度的超聲誘導(dǎo)Fe76Cr2Si11B11非晶合金催化降解機(jī)理示意圖

本項(xiàng)研究不僅開(kāi)創(chuàng)了一種高效、快速的超聲處理法來(lái)精準(zhǔn)調(diào)控非晶合金的催化性能，更重要的是，它為通過(guò)外場(chǎng)（如超聲）調(diào)控材料微觀結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)功能定制建立了基礎(chǔ)理論框架。該方法在電催化、光催化、能源存儲(chǔ)、環(huán)境修復(fù)及生物醫(yī)學(xué)工程等諸多領(lǐng)域均展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，為設(shè)計(jì)下一代高性能催化劑提供了創(chuàng)新性的靈感與切實(shí)可行的方案。

本文來(lái)自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持。