催化降解是處理有機污染廢水的有效方法之一。近年來，金屬有機框架材料（MOFs，metal-organic frameworks），因表面積高、孔結構可調控以及活性位點多等特點，已成為一種去除有機污染物的新型催化材料。但是，目前已報道的許多新型MOFs復合材料，因可加工性、水穩定性以及可回收性等問題，其大規模制備及可持續和工業化應用環境均不理想。因此，將MOFs與載體材料并構筑新型MOFs功能化器件將有利于提高性能并拓展其實際應用。
基于此，中國科學院蘭州化學物理研究所研究員王曉龍團隊與蘭州大學副教授周林成團隊合作，結合3D打印技術在復雜器件構筑及自由設計、制造與成型等領域的優勢，開展了3D打印MOFs修飾的多孔陶瓷催化材料與器件研究，用于水體有機污染物催化降解（圖1）。
如圖2所示，研究人員首先研發了由磷酸鋁溶膠（AP）、親水性氣相SiO2和聚苯乙烯微球（PS）組成的3D打印陶瓷墨水，其中PS微球用于調節3D打印陶瓷的孔隙度；然后，用墨水直書寫（DIW）3D打印技術擠出成型，并經高溫煅燒后獲得高精度的三維多級多孔陶瓷骨架；最后，通過聚多巴胺表面修飾和水熱法處理技術，在3D打印的多級多孔陶瓷骨架上原位生長MOFs顆粒，從而制備出具有結構可調性、高催化活性、長期穩定性以及易于器件化的MOFs修飾的3D打印多級多孔催化劑。
所得MOFs負載多孔陶瓷因兼具MOFs和納-微-毫米等多尺度孔狀結構，不僅因具有高表面積而對有機染料Methylene blue (MB), Rhodamine B (Rh B), Malachite green(MG)和Crystal violet (CV)等模擬有機污染物表現出優異的催化性能，而且滲透率好、水處理效率高。借助3D打印在設計與制造方面的優勢，研究人員設計構筑了不同結構的陶瓷骨架，對陶瓷催化材料的結構和催化性能進行了優化。同時，研究人員利用3D打印技術還很便捷地實現了多種類型的催化反應器件，如圖3所示的3D打印催化過濾器和3D打印葉輪攪拌器。所得器件具有良好的有機染料催化降解效果且可重復使用，表明3D打印MOFs修飾多孔催化材料與器件在實際廢水處理方面具有較好的應用潛力以及工程化意義。
上述成果近期在線發表在國際期刊Chemical Engineering Journal 上（DOI: 10.1016/j.cej.2020.125392）。論文的共同第一作者為蘭州大學碩士生劉德勝和蘭州化物所博士生蔣盼，通訊作者為周林成和王曉龍。該研究工作得到國家自然科學基金和甘肅省重大專項科技計劃等的支持。
圖1 3D打印MOFs負載多孔陶瓷及催化降解有機物污染水處理研究
圖2 MOFs原位生長策略制備3D打印多級多孔陶瓷示意圖
圖3 3D打印MOFs@多孔陶瓷催化過濾器、葉輪攪拌器及應用展示
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