一、背景与意义

镁基非晶合金是一种采用熔体急冷快速凝固方法制备的无序合金，其原子排列具有长程无序、短程有序结构特征。因其原子独特的排列方式，使得在废水降解领域展现出高效的催化性能，特别是降解有机污染物方面具有很大的应用潜力。但镁基非晶合金在废水处理领域的应用仍存在一些挑战和不足，例如循环稳定性差和催化活性受环境pH影响大等问题亟待解决。

最近，西南大学郭胜锋教授课题组综述了镁基非晶合金在偶氮染料废水降解领域的应用现状、合金制备方法、表面改性技术等，并详细总结了不同环境因素对镁基非晶合金催化降解性能影响的最新研究进展，指出了镁基非晶合金在废水降解领域的应用潜力以及当前存在的问题和挑战，为今后镁基非晶合金在废水催化处理中的功能性应用研究发展提出了展望。

二、图文导读

偶氮染料废水处理技术包括物理法、生物法和化学法，常见的处理方法以及相应催化剂材料如图1所示。对于偶氮染料废水的处理，需要综合考虑废水的特性和治理目标，从而选择合适的处理方法，并在实际应用中严格控制工艺参数，以确保废水的有效处理和环境保护。当前，非晶态合金已成为废水降解领域最具高效的催化材料之一。非晶合金是在快速凝固过程中，合金熔体抑制了结晶而形成原子无序排列的亚稳态金属材料。因其具有高的密度缺陷、可控的电子特性以及良好的化学成分均匀性，非晶合金作为催化剂材料的应用前景被普遍看好，在废水降解应用领域受到密切关注。非晶合金对染料的降解机制主要有两种：还原降解和氧化降解，如图2所示。常用的方法为Fenton法，其原理是Fe2+和H2O2反应生成高氧化还原电位（E0=2.7~2.8V）的·OH，·OH具有很强的氧化性可以将有机污染物转化成CO2、H2O和无机小分子。

图1 偶氮染料废水的常见处理方法及相应催化材料

图2 染料的降解反应机制

在众多非晶合金体系中，镁基非晶合金具有良好的非晶形成能力和成本优势等特性，使其成为重要的非晶态废水降解材料，主要包括Mg-Zn-Ca和Mg-TM-RE（TM，过渡元素；RE，稀土元素）两个典型体系。表1总结了典型的镁基非晶合金作为催化剂处理偶氮染料废水的应用研究。镁基非晶合金在偶氮染料废水降解领域主要包括粉末状合金和带状合金两种形态。相对而言，粉末状非晶合金可提供更多的活性表面位点，有利于促进反应催化效率。而带状非晶相对比表面积较低，限制了其降解效率，通过一系列表面预处理方法（酸洗、超声处理、机械铣削、H2预处理、化学/电化学脱合金等）可进一步提高带状非晶合金的比表面积，进而提升其降解速率。图3对比了镁基非晶合金与经过表面涂层处理镁合金的废水降解效率。结果显示，镁基非晶合金以及经表面处理镁合金催化剂对染料废水的降解效率均高于纯镁。与表面处理镁合金催化剂相比，镁基非晶合金催化剂可在更短时间内达到理想的降解效果，在废水降解领域展现出优异的应用潜力。

表1 镁基非晶合金处理偶氮染料废水的研究进展

图3 不同镁合金催化剂用于废水处理的降解效率总结图

镁基非晶合金催化剂对过氧化物的活化作用在染料降解中扮演重要角色。pH值是影响过氧化物的活化的重要因素，直接影响镁基非晶合金催化剂的降解速率和效率。在酸性条件下，非晶合金中的过渡金属与酸性溶液中的过氧化物之间可以快速生成自由基，为染料分子的降解和矿化提供充足的·OH/SO-4。这种快速生成自由基的过程能够提高催化的效果。相反，在碱性条件下，非晶合金中的过渡金属可能会被氢氧化物损失，在非晶表面形成覆盖层，导致过渡金属与过氧化物之间的反应面积减小，催化机理也由化学染料分解转变为物理染料吸附，从而降低了总效率。工业排放的染料废水通常处于碱性状态，染料溶液pH值的微小变化，很大程度会影响催化剂的降解效率。当前，镁基非晶合金作为偶氮染料降解的催化剂通常在较低的pH环境（pH＜3）下具有良好的反应活性，如何拓宽镁基非晶合金催化剂的pH工作范围，是突破其实际应用的关键问题。

三、结论与展望

镁基非晶合金在偶氮染料废水降解领域展示出良好的催化性能，极具工业化应用前景，但其制备工艺苛刻、循环稳定性差等问题仍亟待解决。为了促进镁基非晶合金催化剂在废水处理领域的规模化应用，需要进一步筛选和优化催化剂的组成和结构，提高其催化性能和循环稳定性。拓宽镁基非晶合金催化剂的pH工作范围，以减少添加剂的使用。深入理解镁基非晶合金催化剂在长期使用和恶劣环境下的表面改性、活性位点失活和非晶晶化等现象。通过理论模拟、实验表征和动力学研究等手段，加深对镁基非晶合金催化机理的认识。通过解决这些理论和技术约束，进一步推动镁基非晶合金催化剂在水处理领域的应用，并为解决水污染等环境问题提供有效的解决方案。

四、文章信息

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2024年第12卷第3期：

[1] Yanan Chen, Fengchun Chen, Liang Li, Chen Su, Bo Song, Hongju Zhang, Shengfeng Guo*, Fusheng Pan. Progress and prospects of Mg-based amorphous alloys in azo dye wastewater treatment [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2024, 12(3): 873-889.

五、中文摘要

镁基非晶合金显示出良好的催化性能，在偶氮染料废水降解领域具有广阔的应用前景。然而，其制备工艺苛刻、循环稳定性差等问题限制了其实际应用空间和范围。当前，废水降解领域镁基非晶合金重点关注粉末和条带两种形态。通过球磨法制备的非晶合金粉末具有高比表面积，其反应活性比气体雾化合金粉末高出数千倍，但球磨粉能量消耗较大、粉末回收困难。单辊甩带法是一种大批量生产非晶条带的方法，与非晶粉末相比，非晶带材比表面积较小，需要进行表面改性。脱合金法可以在非晶带表面形成孔隙结构，增大比表面积，提供更多反应活性位点，进而提高催化性能。通过优化合金成分、选择制备工艺、表面改性以及扩大反应pH范围等策略，建立镁基非晶合金在废水降解领域的最优条件，将有助于拓展镁基非晶合金在工业环境中的广泛应用。

六、英文摘要

Mg-based amorphous alloys exhibit efficient catalytic performance and excellent biocompatibility with a promising application probability, specifically in the field of azo dye wastewater degradation. However, the problems like difficulty in preparation and poor cycling stability need to be solved. At present, Mg-based amorphous alloys applied in wastewater degradation are available in powder and ribbon. The amorphous alloy powder fabricated by ball milling has a high specific surface area, and its reactivity is thousands of times better than that of gas atomized alloy powder. But the development is limited due to the high energy consumption, difficult and costly process of powder recycling. The single roller melt-spinning method is a new manufacturing process of amorphous alloy ribbon. Compared to amorphous powder, the specific surface area of amorphous ribbon is relatively lower, therefore, it is necessary to carry out surface modification to enhance it. Dealloying is a way that can form a pore structure on the surface of the amorphous alloys, increasing the specific surface area and providing more reactive sites, which all contribute to the catalytic performance. Exploring the optimal conditions for Mg-based amorphous alloys in wastewater degradation by adjusting amorphous alloy composition, choosing suitable method to preparation and surface modification, reducing cost, expanding the pH range will advance the steps to put Mg-based amorphous alloys in industrial environments into practice.

七、作者简介

第一作者/通讯作者简介：

陈亚楠（第一作者），硕士研究生，目前就读于西南大学材料与能源学院，研究方向为非晶合金在废水处理中的应用。

郭胜锋（通讯作者），教授、博士生导师，西南大学材料与能源学院副院长，重庆市高校中青年骨干教师，兼任中国生物材料学会医用金属材料分会委员、重庆表面工程技术学会副理事长、重庆市产学研合作促进会副理事长等。主要从事亚稳金属材料的研究，先后主持国家自然科学基金、重庆市基础科学与前沿技术研究专项（重点）项目、重庆市自然科学基金等20余项。在Applied Physics Letters, Scripta Materialia, Journal of Magnesium and Alloys等期刊发表论文100余篇，授权国家发明专利4项。研究成果荣获重庆市自然科学二等奖（排名第1）、川渝产学研协同创新成果奖一等奖（排名第1）。