本文介绍了一项关于3D打印金属有机框架（MOFs）修饰的多级多孔陶瓷用于高效催化降解有机染料的研究。该研究由Desheng Liu、Pan Jiang、Xiaochun Li、Jianxi Liu、Lincheng Zhou、Xiaolong Wang和Feng Zhou等作者共同完成，分别来自兰州大学化学与化工学院、中国科学院兰州化学物理研究所、西北工业大学材料科学与工程学院等机构。该研究于2020年5月发表在《Chemical Engineering Journal》期刊上。

研究背景

随着工业化的快速发展，水污染问题日益严重，尤其是染料等有机污染物对水体的污染。传统的污水处理方法如过滤和沉淀难以高效去除这些污染物，无法满足世界卫生组织（WHO）的水质排放标准。因此，开发高效、可重复使用且耐久的催化剂成为水处理领域的研究热点。金属有机框架（MOFs）作为一种新型的多孔催化材料，具有超高的比表面积、可调的结构和丰富的活性位点，广泛应用于有机污染物的降解。然而，MOFs的稳定性较差，且在实际应用中难以分离和回收。为了解决这些问题，研究人员提出了将MOFs与多级多孔载体结合的策略，以提高其催化性能和应用潜力。

研究流程

本研究通过3D打印技术制备了多级多孔陶瓷（3DP-HPC），并通过水热法在陶瓷表面原位生长MOFs纳米颗粒。具体流程包括以下几个步骤： 1. 材料准备：使用气相二氧化硅（SiO2）基墨水制备具有良好流变性能的陶瓷墨水，并通过3D打印技术构建多级多孔陶瓷支架。 2. 3D打印：使用压力驱动的直接墨水书写（DIW）3D打印设备，将陶瓷墨水逐层打印在特氟龙基板上，形成多级多孔结构。 3. 后处理：打印后的陶瓷经过干燥、烧结等步骤，形成稳定的多级多孔陶瓷支架。 4. MOFs生长：通过水热法在多级多孔陶瓷表面原位生长MOFs纳米颗粒（如MIL-100(Fe)和HKUST-1），形成3DP-HPC@MOFs复合材料。 5. 催化性能测试：通过Fenton反应测试3DP-HPC@MOFs对多种有机染料（如亚甲基蓝、罗丹明B、孔雀石绿等）的催化降解性能。

主要结果

研究结果表明，3DP-HPC@MOFs复合材料表现出优异的催化降解性能。其对有机染料的去除效率高达99.68%，降解速率常数（kobs）为0.2915 min⁻¹，远高于其他报道的Fe/Cu基MOFs催化剂。此外，3DP-HPC@MOFs具有良好的循环稳定性和长期使用性能，经过50次循环使用后，其催化效率仍保持在75%以上。研究还成功制备了两种催化反应器（3D打印催化过滤器和搅拌器），展示了其在废水处理中的潜在应用。

结论与意义

该研究通过3D打印技术成功制备了具有多级多孔结构的陶瓷载体，并通过原位生长MOFs纳米颗粒实现了高效的催化降解性能。3DP-HPC@MOFs复合材料不仅具有高比表面积和丰富的活性位点，还具有良好的循环稳定性和可重复使用性。该研究为设计和制造复杂、高效的3D催化剂提供了新思路，展示了其在废水处理中的广泛应用前景。

研究亮点

1. 创新性方法：首次通过3D打印技术结合水热法，实现了多级多孔陶瓷与MOFs的原位复合，显著提高了催化剂的降解效率和稳定性。
2. 高效催化性能：3DP-HPC@MOFs对多种有机染料表现出优异的催化降解性能，降解速率远高于现有催化剂。
3. 实际应用潜力：研究成功制备了两种催化反应器，展示了其在工业废水处理中的实际应用潜力。

其他有价值的内容

研究还通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）等手段对3DP-HPC@MOFs的物理化学性质进行了详细表征，进一步验证了其结构和催化机理。此外，研究还探讨了不同孔隙结构对催化性能的影响，表明通过调节3D打印参数可以优化催化剂的性能。

总之，该研究为开发高效、可重复使用的催化剂提供了新的思路和方法，具有重要的科学和应用价值。