点击上方蓝字，关注我
通讯作者：宋波/姚永刚/吕坚
01
—
文章简介
02
—
前言
持续的工业化和人类活动使水质因有害污染物（如染料、重金属和抗生素）而严重恶化。当前的水净化系统是多流程且耗时的，包括物理过程（如过滤）和生化过程（如凝聚和脱盐），且物理过滤和化学反应通常是两个不同阶段。虽然前者能提供机械结构并引导水流，后者能处理污染物，但当前研究多分别关注废水催化剂开发和结构框架设计，由于力学、传输和催化之间的耦合，很难实现多性能协同提高，因此急需开发功能催化剂和机械框架的集成设计
超材料是可灵活设计的人工结构，能实现特殊物理性能。其几何基础源于原子晶格研究，由相互连接的单元组成，其中支柱决定机械强度，孔隙分布影响流体 / 气体传输，因此在机械工程及生物 / 化学 / 环境领域有广泛应用。例如在人工支架和隔热装置设计中，通过合理设计孔隙分布可调节热传输等性能。然而，传统周期性微晶格的几何特征相互制约，限制了物理性能的可调性，高机械强度常对应较少孔隙分布，限制了传输和设计范围。
仿生学可使微晶格超材料通过模仿自然形状等实现优异性能。如受道格拉斯冷杉启发，其虽高但直径小，需强度抵御风并传输物质，其微观结构的交错 / 双模孔隙分布模式可解耦机械 - 传输性能。受此启发，采用体心立方微晶格重叠策略构建双模孔隙，增加超材料设计自由度和性能可调性。
得益于增材制造技术，可制造复杂微晶格超材料，但不同技术在材料等方面存在差异。本研究采用基于选择性激光熔化（SLM）的 3D 打印技术制造 316L 不锈钢微晶格超材料，并通过电化学沉积用钴（Co）修饰其表面，形成高效污水处理系统，这种 “超材料催化剂” 结合了物理 - 化学性质，在机械 - 传输 - 催化性能可调性上具有优势，为水净化提供了新的思路和方法。
结果与讨论
通过构建流体动力学（CFD）有限元计算模型，研究流体在传统微晶格和仿木超材料催化剂内部的流动行为。结果显示，传统微晶格在 0% 重叠率时表观渗透率较大，且随重叠率增加而逐渐减小，而仿木超材料催化剂的渗透率随重叠率增加而增加，随支柱直径增加而减小。从流体速度和剪切速率分布来看，传统微晶格因大孔隙和周期性排列，流体运输快且在中心区域形成高速，而仿木超材料催化剂由于子孔隙和高表面积，流体渗透缓慢且在孔隙内速度较低，同时流体 - 固体界面处剪切速率集中，导致其渗透率较低，这有利于废水与催化剂接触，提高反应效率。此外，对比不同结构类型的微晶格超材料可知，仿木超材料在具有较高强度的同时仍保持良好的渗透性，且重叠微晶格设计增加了强度和渗透性的调整空间。通过实验测试和模拟结果对比，发现两者虽存在一定偏差，但在不同重叠设计下仍呈现较高线性关系，验证了实验和模拟的一致性。
在水净化能力方面，将仿木超材料催化剂组装成固定床水净化系统，用于活化过氧单硫酸盐（PMS）净化水，对磺胺甲恶唑（SMX）的降解结果显示，不同重叠率的催化剂都能在 15min 内完成降解，且归一化后的动力学常数与重叠率呈正相关，70% 重叠率的催化剂单位体积反应动力学常数最高。同时，对不同支柱直径的催化剂测试表明，支柱直径增加，表面面积增大，PMS 活化率提高。通过测量总有机碳（TOC）可知 70% 重叠率的催化剂在 15min 和 30min 时未矿化有机污染物的比例逐渐降低，证明大部分有机物被矿化为无毒无机物。在催化机制方面，通过自由基猝灭实验可知降解过程由・OH、SO₄⁻和非自由基活性物质共同参与，其中・OH 占比 46.3%，为主要自由基途径。电子顺磁共振（EPR）光谱检测进一步证实了自由基的存在，同时通过时间 - 电流曲线和 X 射线光电子能谱（XPS）分析，揭示了 PMS 与催化剂之间的相互作用以及元素价态在反应过程中的变化，提出了 PMS 激活的机制以及 Co 和 Fe 之间的协同作用，为理解仿木超材料催化剂的催化过程提供了理论依据。
3.4 仿木超材料催化剂的稳健性、可设计性和适用性
图中展示了该催化剂在不同阴离子和腐殖酸干扰下的水处理能力，在 200ppm 的 Na₂SO₄、NaNO₃和 NaCl 中，15min 内仍能达到超过 93% 的处理效率，在不同 pH 值环境下，酸性和中性条件下处理效率良好，碱性条件下虽受抑制但 10min 时仍能达到 75% 的降解率。在可设计性方面，通过对其几何特性的阐述，表明其结构设计（机械和运输性能）和催化性能（处理时间）可灵活调节，以实现大规模、连续流和高通量的水处理。在适用性方面，该催化剂不仅可用于 SMX 降解，对双酚 A 和诺氟沙星也有良好的处理效果，且适用于实际水样，如自来水和长江水作溶剂时，15min 内降解率超过 95%。通过与其他用于水净化的常见材料比较，突出了仿木超材料催化剂在制造简单、集成结构强度和功能催化双重功能、宏观和微观结构设计性强、几何和性能可控性高以及强度和高通量水净化能力方面的优势，同时展示了其在不同长度尺度上的应用潜力，从微小医疗支架到大规模的水净化系统。
编辑 | 杨梦曦
审核 | 王 璟
宣传 | 谢蕴秋
来源丨星云计算科技
本文仅作科研分享，如有侵权，请联系后台小编删除
