近日，澳大利亚埃迪斯科文大学的张来昌教授与香港城市大学合作在国际工程技术与材料科学领域尖端学术期刊Progress in Material Science（《材料科学进展》）上发表了题为“A Review of Catalytic Performance of Metallic Glasses in Wastewater treatment: Recent Progress and Prospects”的综述性论文。
Progress in Material Science（《材料科学进展》），期刊影响因子23.7，是国际工程技术、材料科学、材料物理和化学领域的尖端权威综述性学术期刊，在材料科学与工程领域具有重要影响。
过去多年，随着金属玻璃在多个研究领域都有极大发展，其在催化领域的研究也在材料科学和工程领域渐渐获得关注。研究表明，金属玻璃在废水处理中具有超快的催化效率、可靠的稳定性和极低的金属浸出效果等优良性能。这一研究成果表明，金属玻璃有很大可能成为新一代工业废水催化剂的解决方案。
图：近年来金属玻璃作为催化剂在工业废水处理和能源转换重点应用
该由埃迪斯科文大学教授及毕业生主导研究的论文，首次总结了近年来以众多原子组分和优异催化性能的金属玻璃作为环境催化剂的重要研究进展。针对金属玻璃固有的本征属性，本文全面讨论了其独特的物理本征结构对催化反应活性的影响，包括结构弛豫、晶化及“回春”、电子结构、原子构型、热物理性质、元素组成、表面粗糙度、残余应力及多孔结构，突出了高性能工业废水催化材料的局限性以及与每种优化策略相关的本征机制。同时，本文也系统地总结了金属玻璃催化剂对工业染料废水处理中的脱色、矿化、金属浸出、可持续性和可重用性，以及不同化学参数的影响。最后，本文提出了如何进一步开发金属玻璃催化剂的其余挑战，为研究金属玻璃新型功能性应用提供了新的见解与展望。
图：金属玻璃在不同退火温度下对过氧化氢的激活催化机理
论文研究人员指出了未来研究开发高性能且可大规模工业化生产的工业废水金属玻璃催化剂的几个前景。总结如下：
1、引入纳米晶和非晶双相结构促进界面电子转移从而有望提高催化性能。此外，在金属玻璃退火过程中控制析出的金属间化合物从而形成大量具有不同电势的纳米/微米级原电池，促进催化过程中的电子转移。
2、电子结构的优化在化学/电化学催化反应中也起着至关重要的作用。金属玻璃具有独特的短/中程有序原子排列结构为优化其电子结构提供了丰富的可能性，如电子离域、电子态密度分布、电子轨道杂化等，多种原子配位构型形成的协同作用，等，有望进一步增加催化过程中的活性位点。
3、催化剂的比表面积一直是化学或催化活性研究的前沿问题。化学/电化学脱合金是在材料表面产生孔隙的最有效方法之一。然而，在脱合金过程中，大多数金属玻璃的原子结构易发生重排导致晶化行为。如何调控金属玻璃的原子成分从而有效避免晶化行为的发生应该受到关注。
4、为了在不久的将来促进金属玻璃催化剂在水处理领域的可行性和工业化，研究人员还需要关注金属玻璃的设计到催化反应优化的几个重要理论和技术约束:
(1) 提高催化反应环境的pH值范围，使添加剂的添加量降到最低;
(2)建立金属玻璃热物理性质(如放热焓)对其催化性能的影响，提高对其热物理机制影响的认识;
(3)利用机器学习对成分及结构预测并以高通量方法制备新型金属玻璃催化剂，从而对其工业化应用进行更有效的筛选;
(4)建立金属玻璃表面原子重构与稳定性失效机制的关系等。
本文链接：A review of catalytic performance of metallic glasses in wastewater treatment: recent progress and prospects, Progress in Materials Science, 2019, Vol.105, paper no. 100576. DOI:10.1016/j.pmatsci.2019.100576
