铁基非晶合金表面氧化新机制助力偶氮染料高效降解

针对废水中致癌偶氮染料难降解问题，研究人员通过调控Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3非晶合金（MG）的快速高温氧化（RHTO）行为，突破传统Fenton-like反应中氧化膜钝化限制。研究发现580-680°C氧化生成的α-Fe(Si)纳米晶与CuO核可破坏致密氧化层，使染料降解速率常数k提升至1.5 min?1，为废旧磁性材料资源化提供新策略。

　　

纺织印染废水中的偶氮染料因其强致癌性成为环境治理难题，传统Fenton-like反应依赖零价铁（ZVI）催化，但铁基材料表面形成的致密氧化层会迅速钝化催化剂活性。更棘手的是，大量废旧软磁产品中的铁基非晶合金（MG）因长期服役后结晶氧化而失效，如何“唤醒”这些材料的催化潜能成为资源循环与污染治理的双重挑战。

针对这一难题，来自中南大学粉末冶金国家重点实验室的研究团队以商用Fe_73.5Si_13.5B₉Cu₁Nb₃（1K107）MG为对象，创新性提出快速高温氧化（RHTO）活化策略。通过系统研究不同温度下材料的氧化行为与酸性橙7（AO7）降解性能的关联，发现580-680°C短时氧化可重构表面微观结构，使失活MG的降解速率常数k跃升至1.5 min^?1，成果发表于《Journal of Water Process Engineering》。

关键技术方法
研究采用热重分析量化氧化增重，结合X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）表征相变与微观结构，通过紫外-可见分光光度法监测AO7脱色率。对比实验包含纯铁（>99.9 wt%）与MG在不同温度（520-750°C）和时间（5 min-3 h）的氧化处理，重点考察α-Fe(Si)纳米晶与CuO核的协同效应。

研究结果

氧化行为差异
纯铁在650°C氧化3 h增重达4.7%，而MG仅增重0.47%，表明MG的B、Si元素可抑制氧化扩散。低温氧化（<520°C）形成连续致密的Fe₂O₃/Fe₃O₄层，完全隔绝ZVI活性位点。

RHTO的活化机制
580-680°C氧化5分钟时，α-Fe(Si)纳米晶与CuO核的爆发式析出引发氧化膜局部破裂，形成多孔结构。TEM显示纳米晶尺寸约20-50 nm，其与CuO的界面处产生大量Fe²⁺/Fe³⁺活性位点，促进H₂O₂分解为·OH自由基。

降解性能峰值
640-680°C处理的样品6分钟内实现98.7%脱色，k值达1.8 min^?1，比原始MG提高10倍。但>700°C氧化会过度消耗ZVI并增厚氧化层（750°C时厚度达1.2 μm），导致活性骤降。

结论与意义
该研究首次揭示RHTO可通过“破坏性重建”策略激活失效MG：适度氧化诱导的纳米晶析出与氧化膜破裂形成微电池效应，而CuO核加速Fe²⁺/Fe³⁺循环。这一发现不仅为理解铁基材料表面氧化与催化活性的关系提供新视角，更开创了废旧磁性电子产品“以废治废”的新模式——将本需填埋的电子垃圾转化为高效废水处理剂，实现环境效益与资源循环的双赢。