東南大學《Acta Materialia》：超聲誘導有序化實現金屬玻璃的卓越催化性能！

隨著紡織、化工等行業的快速發展，含有偶氮染料的工業廢水對水生態環境構成了嚴重威脅。當前，傳統廢水處理技術因成本高昂、效率有限及穩定性不足等問題，其應用面臨瓶頸。因此，開發新型高效、低成本的催化材料已成為工業界與科研領域的迫切需求。在這一背景下，非晶合金以其獨特的無序原子結構和亞穩態特性，展現出替代傳統晶態催化劑的巨大潛力。然而，如何有效調控并進一步提升其催化活性，仍是該領域的一項重大挑戰。

近日，東南大學研究團隊聯合深圳大學、中科院高能物理所散裂中子源、山東大學、上海前瞻物質科學研究院、安徽工業大學、香港城市大學等多家單位在國際材料科學頂級期刊《Acta Materialia》在線發表題為“Ordering by ultrasonic excitation for achieving an excellent catalytic performance of metallic glasses” （https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121531）的最新研究成果（共同第一作者為李偉博士和阮嘉藝碩士，通訊作者為袁晨晨副教授）。該研究團隊獨辟蹊徑，采用超聲振動處理技術，成功實現了Fe76Cr2Si11B11非晶合金催化劑在降解偶氮染料性能上的突破性提升。同時借助高能X射線衍射、小角中子散射、高分辨透射電子顯微鏡等先進表征技術深入分析了超聲誘導下非晶合金的結構演化行為與催化性能之間的內在聯系，為高效環保催化劑的設計提供了新思路。

研究團隊基于前期相關研究工作 [Mater. Des. 194 (2020) 108876]，通過添加Cr元素成功設計出了新型Fe76Cr2Si11B11非晶合金。通過精準控制的超聲振動處理技術，在短時間內就實現了催化劑結構的精準調控。研究表明，超聲處理顯著地改變了催化劑的表面形貌。經過1250 J能量處理的樣品表面出現大量微裂紋、突起等特征，比表面積達到2.016 m2/g，是未處理樣品的9.25倍，為催化反應提供了更多的活性位點，如圖1所示。同時超聲振動誘導了材料內部結構的有序化轉變（見圖2）。

圖1. 超聲誘導Fe76Cr2Si11B11非晶合金粉末表面形貌重構。

圖 2. 使用高能X射線觀察不同超聲振動能量作用下Fe76Cr2Si11B11非晶合金樣品的結構演化。

令人矚目的是，經過超聲振動優化的非晶合金催化劑在降解亞甲基藍溶液時表現出卓越性能。使用1250 J Fe76Cr2Si11B11非晶合金樣品僅需5分鐘就可實現亞甲基藍溶液地完全脫色，與此形成鮮明對比的是，未處理的鑄態樣品完成脫色需要140分鐘，催化反應速率提升了驚人的28倍，反應速率常數高達0.751 min?1，比目前主流Fe基非晶合金催化劑提高50%以上，見圖3。

圖3. 超聲處理前后Fe76Cr2Si11B11非晶合金樣品降解亞甲基藍染料溶液的性能。

通過小角中子散射（圖4）進一步證實了超聲導致Fe76Cr2Si11B11非晶合金明顯的結構有序化轉變，一些納米級Fe和Fe?B相在非晶基體中析出，形成了穩定的納米晶與亞穩態高能非晶基體之間的原電池效應，如圖5所示。同時，表面形貌重構為活性物質傳輸和電子轉移創造了豐富通道，這種微觀結構優化與表面形貌重構的協同效應是實現高效催化的關鍵。

圖4. 不同超聲振動能量處理的Fe76Cr2Si11B11非晶合金小角中子散射分析結果及其結構序演化。

圖 5. 基于有序化過程中的缺陷和能量演化角度的超聲誘導Fe76Cr2Si11B11非晶合金催化降解機理示意圖

本項研究不僅開創了一種高效、快速的超聲處理法來精準調控非晶合金的催化性能，更重要的是，它為通過外場（如超聲）調控材料微觀結構以實現功能定制建立了基礎理論框架。該方法在電催化、光催化、能源存儲、環境修復及生物醫學工程等諸多領域均展現出廣闊的應用前景，為設計下一代高性能催化劑提供了創新性的靈感與切實可行的方案。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。