3月7日，《自然·通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表華中科技大學材料學院史玉升教授團隊與香港城市大學呂堅院士團隊的合作研究成果：木材啟發(fā)的超材料催化劑用于穩(wěn)健和高效的水凈化系統(tǒng)(Wood-inspired metamaterial catalyst for robust and high-throughput water purification)。材料學院博士后（香港城市大學香江學者）張磊和材料學院博士生劉瀚文為論文共同第一作者，材料學院宋波教授、姚永剛教授及香港城市大學呂堅院士為論文的共同通訊作者。材料學院、材料成形與模具技術(shù)全國重點實驗室為該項研究的第一完成單位及第一通訊單位。

持續(xù)的工業(yè)化和其他人類活動導致染料、重金屬和抗生素等有害污染物導致水質(zhì)嚴重惡化。目前的凈水系統(tǒng)是多過程且耗時的，包括物理過程和化學過程，如過濾、凝聚和脫鹽。物理過濾和化學反應通常屬于水凈化過程的兩個不同階段。目前的工作也分別側(cè)重于催化劑的開發(fā)和結(jié)構(gòu)框架設計。由于力學、運輸和催化之間的耦合，很難實現(xiàn)多性能的協(xié)同改進。迫切需要開發(fā)功能催化劑和機械框架的集成設計，以實現(xiàn)系統(tǒng)級別的性能提升。超材料是一種人工復合結(jié)構(gòu)，可靈活設計以實現(xiàn)從微觀到宏觀的特殊物理特性。然而，傳統(tǒng)周期超材料的幾何特性是高度耦合和相互約束的，這限制了它們物理性質(zhì)的可調(diào)性。

研究團隊提出了一種受道格拉斯冷杉啟發(fā)的超材料設計方法。道格拉斯冷杉最高可長到328英尺（100米），但直徑要小得多（~1.5米）。這種超高但薄的樹需要相當大的強度來抵御風，并且需要一種機制來將水和營養(yǎng)物質(zhì)從根部充分傳輸?shù)巾敹�。微觀結(jié)構(gòu)分析表明，支持樹木健壯生長的關(guān)鍵因素在于源自導管和纖維的交錯/雙峰孔隙分布模式。棋盤狀孔隙有利于利用有限的體積空間進行物質(zhì)傳輸，而交錯模式類似于三明治結(jié)構(gòu)可提高強度，從而使機械、傳輸性能解耦，實現(xiàn)協(xié)同改進機械和傳輸性能。受道格拉斯冷杉雙峰孔徑分布的啟發(fā)，團隊使用體心立方（BCC）微晶格重疊策略來構(gòu)建雙峰孔，這種以木材為靈感的疊加設計策略可以顯著提高超材料設計的自由度以及機械和傳輸特性的可調(diào)性。

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圖1.木材啟發(fā)超材料催化劑

為了滿足污水處理系統(tǒng)對支撐架的尺寸、精度、強度、運輸和催化劑粘附能力的綜合要求，團隊采用了一種基于激光選區(qū)熔化（SLM）的3D打印技術(shù)來制造具有不同桿直徑和重疊率的316L不銹鋼微晶格超材料。團隊通過電化學沉積工藝用鈷（Co）修飾鐵（Fe）基超材料的表面，以形成高效的污水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了高效的催化劑和木材啟發(fā)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢（優(yōu)化的穩(wěn)健性和高通量傳質(zhì)）。因此，通過結(jié)構(gòu)設計和表面功能化，這樣一個突破性的結(jié)構(gòu)-功能一體化跨學科領(lǐng)域被創(chuàng)造為“超材料催化劑”，結(jié)合了新興超材料概念，突破了傳統(tǒng)材料分離式的物理-化學特性。相比較于傳統(tǒng)周期微晶格，提出的具有70%重疊率的超材料催化劑的強度提升了3倍，單位體積表面積提升了3倍和歸一化反應動力學提升了4倍。重疊策略和隨后形成的雙峰孔極大地提高了超材料催化劑的穩(wěn)健性。超材料催化劑在機械-傳輸催化性能可調(diào)性方面具有優(yōu)異的性能和可擴展的自由度，賦予了超材料的機械性能和傳輸性能的結(jié)構(gòu)-功能一體化，以及用于水凈化應用的高效協(xié)同催化性能。

該研究得到了國家自然科學基金、廣東省重點研發(fā)計劃、華中科技大學學術(shù)前沿團隊、香江學者項目資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46337-1