蘭州化物所3D打印MOFs負(fù)載多孔陶瓷實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物高效催化降解

來(lái)源：蘭州化學(xué)物理研究所

催化降解是處理有機(jī)污染廢水的有效方法之一。近年來(lái)，金屬有機(jī)框架材料（MOFs，Metal-organic frameworks），因表面積高、孔結(jié)構(gòu)可調(diào)控以及活性位點(diǎn)多等特點(diǎn)，已成為一種去除有機(jī)污染物的新型催化材料。但是，目前已報(bào)道的許多新型MOFs復(fù)合材料，因可加工性、水穩(wěn)定性以及可回收性等問(wèn)題，其大規(guī)模制備及可持續(xù)和工業(yè)化應(yīng)用環(huán)境均不理想。因此，將MOFs與載體材料并構(gòu)筑新型MOFs功能化器件將有利于提高性能并拓展其實(shí)際應(yīng)用。

圖1 3D打印MOFs負(fù)載多孔陶瓷及催化降解有機(jī)物污染水處理研究

基于此，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究員王曉龍團(tuán)隊(duì)與蘭州大學(xué)副教授周林成團(tuán)隊(duì)合作，結(jié)合3D打印技術(shù)在復(fù)雜器件構(gòu)筑及自由設(shè)計(jì)、制造與成型等領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展了3D打印MOFs修飾的多孔陶瓷催化材料與器件研究，用于水體有機(jī)污染物催化降解（圖1）。

圖2 MOFs原位生長(zhǎng)策略制備3D打印多級(jí)多孔陶瓷示意圖

如圖2所示，研究人員首先研發(fā)了由磷酸鋁溶膠（AP）、親水性氣相SiO2和聚苯乙烯微球（PS）組成的3D打印陶瓷墨水，其中PS微球用于調(diào)節(jié)3D打印陶瓷的孔隙度；然后，用墨水直書寫（DIW）3D打印技術(shù)擠出成型，并經(jīng)高溫煅燒后獲得高精度的三維多級(jí)多孔陶瓷骨架；最后，通過(guò)聚多巴胺表面修飾和水熱法處理技術(shù)，在3D打印的多級(jí)多孔陶瓷骨架上原位生長(zhǎng)MOFs顆粒，從而制備出具有結(jié)構(gòu)可調(diào)性、高催化活性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及易于器件化的MOFs修飾的3D打印多級(jí)多孔催化劑。

圖3 3D打印MOFs@多孔陶瓷催化過(guò)濾器、葉輪攪拌器及應(yīng)用展示

所得MOFs負(fù)載多孔陶瓷因兼具M(jìn)OFs和納-微-毫米等多尺度孔狀結(jié)構(gòu)，不僅因具有高表面積而對(duì)有機(jī)染料Methylene blue (MB), Rhodamine B (Rh B), Malachite green(MG)和Crystal violet (CV)等模擬有機(jī)污染物表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，而且滲透率好、水處理效率高。借助3D打印在設(shè)計(jì)與制造方面的優(yōu)勢(shì)，研究人員設(shè)計(jì)構(gòu)筑了不同結(jié)構(gòu)的陶瓷骨架，對(duì)陶瓷催化材料的結(jié)構(gòu)和催化性能進(jìn)行了優(yōu)化。同時(shí)，研究人員利用3D打印技術(shù)還很便捷地實(shí)現(xiàn)了多種類型的催化反應(yīng)器件，如圖3所示的3D打印催化過(guò)濾器和3D打印葉輪攪拌器。所得器件具有良好的有機(jī)染料催化降解效果且可重復(fù)使用，表明3D打印MOFs修飾多孔催化材料與器件在實(shí)際廢水處理方面具有較好的應(yīng)用潛力以及工程化意義。

上述成果近期在線發(fā)表在國(guó)際期刊Chemical Engineering Journal 上（DOI: 10.1016/j.cej.2020.125392）。論文的共同第一作者為蘭州大學(xué)碩士生劉德勝和蘭州化物所博士生蔣盼，通訊作者為周林成和王曉龍。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和甘肅省重大專項(xiàng)科技計(jì)劃等的支持。