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污水净化有望更高效:3D打印助力新型材料研发2019-02-28

    【导读】科学工作者根据实际需求,利用捷诺飞新型3D打印设备,制备出可设计、高精度的复杂三维结构CN气凝胶,从而有望实现更为高效、可循环的光催化污水净化。


 

     

    大量研究证明,在可见光的照射下,一种新型材料——石墨相氮化碳(以下简称“CN”)——能将水中含有的多种有机物光催化降解,因而可用于高效污水净化处理中。

    

    不过,CN材料是粉末状的,将它直接用于净水,难以做到回收和反复利用。所以,科学工作者又相继开发了多种具有三维结构的CN材料,如CN多孔气凝胶等。


    科学工作者的下一个目标是,构建形状可自由设计的CN、通过改变材料构造来提升CN光催化性能。


    3D打印技术为实现这一目标提供了新的可能。上海交通大学材料科学与工程学院教授范同祥率先提出,利用3D打印在复杂三维结构制备方面的优势来制备新型CN。范同祥教授带领的课题组采用杭州捷诺飞生物科技股份有限公司自主研发的3D打印机(“Bioprinter”),成功制备了具有可设计结构的石墨相氮化碳气凝胶,受到瞩目。

 

 


 

    为了把CN气凝胶“打印”出来,研究者构建了一种CN、金纳米粒子和海藻酸钠的复合3D打印墨水,将CN悬浮液的粘度和流变性提升到适合“挤出式打印”的水平,便于3D打印机方便快速地打印出垂直交错的“木柴堆”三维复杂结构。经过进一步交联、超临界干燥,就得到了具有复杂三维结构的CN气凝胶。

 


    研究发现,这种气凝胶具有规则的堆积结构和孔洞分布;密度低至能够被棉花轻易托起;金纳米粒子的加入,增强了CN对光的吸收,并起到了助催化剂的作用。


    进一步放大观察,研究者发现,这一“木柴堆”CN气凝胶内部结构得到了精确控制。

 

 



    经验证,在一定波段的可见光照下,这种形状的CN气凝胶能够有效降解水中含有的亚甲基蓝、甲基橙、罗丹明B等有机物分子,且回收反复多次利用后催化活性依然不减。


研究者还发现,这种“木柴堆”交错堆叠结构的CN气凝胶,其降解污水中有机分子的活性是传统无规结构CN多孔气凝胶的2.5倍。这表明3D打印构建出的CN气凝胶结构可能更有利于污水光催化净化。

 


    

    为了探究造成这种差异的原因,研究者利用计算机模拟研究了液体在3D打印结构和传统无规结构气凝胶内部扩散行为,发现这种3D打印产生的规则结构能为液体在气凝胶内部的流通提供方便的通路,从而增加了液体在气凝胶内部的流动和扩散,这可能是催化活性得以提升的关键原因。

 


该研究发表于期刊Advanced Functional Materials上。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201801121

 

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