華中科技大学: 3Dプリント/脱合金化技術による階層的多孔質ナノ金属の作製と廃水分解における高い効率

最近、華中科技大学材料科学工学部非晶質材料研究室の劉林教授の研究グループの楊崇、張成らは、3Dプリント/脱合金化複合技術を用いて三次元階層型ナノ多孔質Cu触媒（3D NP-Cu）の調製に成功し、その廃水分解性能を体系的に研究した。開発された新しい3D NP-Cu触媒は、非晶質ストリップと比較して比表面積が660倍に増加しており、優れた触媒分解性能を発揮します。アゾ染料の分解効率は、市販のCu2+およびCu粉末のそれぞれ14倍と4倍です。さらに、3D NP-Cu は優れたサイクル安定性も示し、複数サイクル後も触媒効率は 90% 以上を維持します。
背景高度酸化プロセス（AOP）は、水域内の有機汚染物質を効率的かつ迅速に分解できるため、産業廃水の深層処理に広く使用されています。このプロセスでは、H2O2 は触媒の作用により急速に分解され、·OH が生成されます。生成された ·OH は酸化力が高く、ほぼすべての有機汚染物質と反応し、最終的に有機汚染物質の分解を実現します。新しく、効率的で安定した触媒の開発が、業界の現在の取り組みの方向性です。

現在、高度酸化法（フェントン法）で広く使用されている触媒は、主に鉄粉、鉄粉などの鉄系および銅系の触媒です。しかし、これらの触媒は比表面積が小さい、安定性が悪い、再利用できないなどの問題がありました。 3D プリント技術は、複雑な幾何学的形状を持つ 3 次元多孔質金属フレームワークを作成するための新しいソリューションを提供します。3 次元多孔質金属フレームワークに基づいて、脱合金化技術を使用すると、階層的なナノ多孔質構造を構築することができ、触媒の比表面積と触媒性能が大幅に向上します。

この記事のハイライト<br /> 最近、華中科技大学材料科学工学部非晶質材料研究室の劉林教授の研究グループの楊崇、張成らは、3Dプリント/脱合金化複合技術を用いて三次元階層型ナノ多孔質Cu触媒（3D NP-Cu）の調製に成功し、その廃水分解性能を体系的に研究した。開発された新しい3D NP-Cu触媒は、非晶質ストリップと比較して比表面積が660倍に増加しており、優れた触媒分解性能を発揮します。アゾ染料の分解効率は、市販のCu2+およびCu粉末のそれぞれ14倍と4倍です。さらに、3D NP-Cu は優れたサイクル安定性も示し、複数サイクル後も触媒効率は 90% 以上を維持します。

この触媒は複合染料（複数の混合染料）を効率的に分解し、廃水から COD を効果的に除去することもできます。研究では、3D NP-Cu の効率的な触媒性能は、その大きな比表面積、豊富な表面原子ステップとナノ Cu2O 粒子、および物質輸送を促進する微細多孔構造に由来することがわかりました。著者らはまた、この新しい 3D 印刷技術を使用して複雑な触媒成分を構築する実現可能性を実証し、その触媒性能を検証しました。関連する研究は、Journal of Materials Chemistry A、2018、6、20992-21002に掲載されました。この研究は、中国国家自然科学基金（51531003、51471074、51771077）、科学技術部の973プロジェクト（2015C856801）、および国家重点研究開発計画（2016YFB1100101）によって資金提供されました。

グラフィカル分析

図1 3Dプリント技術によるさまざまな形状のアモルファス合金の作製と、3Dプリント技術と脱合金化原理の概略図図2 3D NP-Cu触媒の微細構造特性評価（SEM、XRD、XPS）

図3 3D NP-Cu触媒の微細構造特性（TEM）

図4 3D NP-Cu触媒の触媒効率に対する異なるプロセスの影響図5 3D NP-Cu触媒と他の触媒の性能の比較図6 複合染料の分解と3D NP-Cu触媒のCOD除去性能図7 3D NP-Cu触媒のサイクル安定性図8 劣化後の3D NP-Cu触媒の構造特性（SEM、XPS、TEM）
図9 3D NP-Cuの触媒機構に関する研究図10 3D NP-Cuの触媒反応機構

図11 3D NP-Cu触媒分解反応経路図12 3Dプリントナノポーラスファンとその触媒分解性能の実証
著者について
劉林: 華中科技大学アモルファス材料研究室長、教授（レベル2）、博士課程指導教員、華中学者優秀ポスト、材料成形および金型技術国家重点実験室副室長。 1984年に華中科技大学で工学学士号を取得し、1992年に中国科学院固体物理研究所で理学修士号を取得し、2000年に華中科技大学で工学博士号を取得しました。 1984年から1993年まで、中国科学院固体工学研究所に勤務。1993年から1996年まで、イタリア新技術・エネルギー・環境センター（ENEA）で共同研究を実施。1998年から現在まで、華中科技大学に勤務。この間、2002年から2004年まで、香港理工大学で共同研究を実施。教育部の「優秀若手教師資金計画」、教育部の「新世紀優秀人材支援計画」、湖北省ハイレベル人材プロジェクト、武漢市規律リーダー計画に選ばれた。彼は、中国国家自然科学基金の専門家審査グループのメンバーであり、中国材料学会の非晶質材料支部および中国金属学会の非晶質合金支部の会員（理事）です。彼は、AIMS Materials Science や Scientific Reports などの学術誌の編集委員を務めています。彼が主講師として担当した「工学材料科学」コースは湖北省優秀コースに選ばれ、華中科技大学「優秀大学院指導教授」の称号、華中科技大学教育功績二等賞、華中科技大学「三大教育賞」および「博楽賞」を受賞した。博士課程の学生20名以上、修士課程の学生50名以上が卒業しました。主にアモルファス合金・アモルファスコーティング、ナノ多孔質材料、3Dプリンティング、準安定相転移などの分野の研究に従事。近年、当研究所は、中国国家自然科学基金の重点プロジェクトと一般プロジェクト、国防事前研究の重点プロジェクト、香港RGC基金（共同PI）の973件のプロジェクトを含む30件以上のプロジェクトを引き受け、垂直研究資金の総額は2,500万人民元を超え、国家発明特許は15件に達しています。彼は、Nat Comm、Acta Mater、Acta Biomater、JMCA、Corr Sci、APL など材料科学分野の著名なジャーナルに 170 本以上の論文を発表し、SCI 引用数は 3,000 回を超え、30 回以上の国際会議で招待講演を行っています。

張成：華中科技大学准教授、工学博士、博士課程指導教員、国家材料成形・金型技術重点実験室の「若手人材」人材育成プログラムの選抜候補者（2018年）。 2012年に華中科技大学で博士号を取得。 2011年と2016年には共同研究のため香港理工大学へ派遣された。現在は主にアモルファスコーティング、アモルファス合金の3Dプリント、機能特性の研究に従事。彼は、国家自然科学基金プロジェクト 2 件、国家重点研究開発計画サブプロジェクト 1 件、中国ポストドクター科学基金プロジェクト 2 件、清華大学国家トライボロジー重点実験室オープンプロジェクト 1 件、華中科技大学青年人材導入基金および独立イノベーション基金プロジェクト 2 件を主宰しました。技術のバックボーンとして、総会事前研究プロジェクト 1 件、国家重点科学技術基金および一般プロジェクト 4 件に参加しました。彼は、Journal of Materials Chemistry A、Acta Materialia、Electrochimica Acta、Corrosion Science、Applied Physics Letters などのジャーナルに 30 件を超える SCI 学術論文を発表しています。この論文は740回以上引用され、中国の発明特許を6件取得しました。

出典：劉林教授の研究グループ

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