基于铁基复合材料的制备及其应用进展

2021-01-05段娟娟朱婷晏志薇刘洁方梦婕罗明珠谭美辉严敏陈萍华蒋华麟

天津化工 2021年5期

关键词：水热法光催化甲基

段娟娟，朱婷，晏志薇，刘洁，方梦婕，罗明珠，谭美辉，严敏，陈萍华，蒋华麟

（南昌航空大学环境与化学工程学院，江西南昌330063）

铁基材料价格低廉、来源丰富、安全性能好、物化性能优良等特点，备受科研工作者的青睐[1]。本文基于铁基制备复合材料方法及其在各方面应用进行综述。

1 基于铁基的复合材料制备方法

铁基复合材料制备方法多样, 主要有：水热法、种子沉积法、溶剂热法等。

谢建新等[2]采用水热法，以FeCl3·6H2O、对苯二甲酸等为原料，150℃下在反应釜反应，经冷却、离心、加水处理、离心干燥得MIL-53(Fe)产品。Liu 等[3]采用一步硫化法成功制备出的Fe3O4@SiO2@ZnO/ZnS纳米复合材料有明显的超顺磁性，及可见光下对四环素的光催化降解效率可达80.71%。Wang 等[4]通过水热法制备了磁性氧化石墨(MGO)和磁性氧化石墨烯/MIL-100(Fe)(MGO/MIL-100(Fe)0.3) 复合材料，在紫外光的照射下，MGO/MIL-100(Fe)0.3催化降解吖啶橙染料废水性能与MGO 相比有明显提高。Han 等[5]通过种子沉积法制备出了花状磁性Fe3O4/Mg(OH)2磁性复合材料。Peng 等[6]采用溶剂热法制备出不同复合比的MIL-53 (Fe)/g-C3N4复合材料，他们发现不同复合比的MIL-53(Fe)/g-C3N4作为光催化剂对有机染料罗丹明B 和无色有机小分子草甘膦光化学催化降解性能都不相同，当MIL-53 (Fe) 与g-C3N4的复合质量比为2∶40∶1 时，复合材料具有最佳的光催化活性。梁梦迪等[7]通过溶剂热法成功改性材料MIL-53(Fe)-(CF3)2，产品对2,2-二甲基丁烷的吸附量最小，对3－甲基戊烷的静态吸附量最大，选择性分别为1.70 和1.29。Geng 等[8]通过粉末冶金法制备了TiCp/Fe 复合材料，增强体TiC 均匀的分布在Fe基体中。赵方彪等[9]用聚乙烯吡咯烷酮对溶剂热法制备的四氧化三铁进行表面修饰，同时引入了氨基制得磁性材料Fe3O4@NH2-MIL-53(Al)。2019年，夏琦[10]采用一种简单的一步沉积法合成了MIL-53(Fe)/SnS 复合材料。Hu 等[11]采用水热法将磷钼酸H3PMo12O40与金属有机骨架MIL-101(Fe)进行复合，制得复合材料H3PMo12O40/MIL-101(Fe)。该复合材料对亚甲基蓝的去除率明显高于两种纯物质。Guo 等[12]采用“一锅法”制备纳米核-壳结构的Ag@Fe3O4复合材料。Ag@Fe3O4复合材料相比Ag 单质具有更强的抑菌活性，并对大肠杆菌敏感性更强；Ag@Fe3O4复合材料在10min 内对甲基橙的催化率达到了98%以上。

2 铁基复合材料性能的应用研究进展

2.1 光催化性能

在水处理技术中，光催化法作为一种高效节能的技术逐渐引起关注，比如：2020年，Dai 等[13]先制备出纳米TiO2和聚乙烯亚胺（PEI）修饰的Fe3O4(Fe3O4/PEI)，然后进一步制备出了Fe3O4/TiO2复合材料。在紫外光下复合材料的光催化活性会明显增强，当TiO2与Fe 离子投料比为20∶1 时可见光催化活性性能最好，显示出了良好的催化稳定性和高于90%的催化效率。2019年，He 等[14]合成了MIL-100(Fe)/TiO2复合光催化剂的光催化性能比原始二氧化钛明显要好，可能原因是MIL-100(Fe)与TiO2之间的密切相互作用也可以将光诱导空穴转移到Fe-O 簇，从而使电荷分离得到改善。2016年，Liu 等[15]以亚甲基蓝为研究对象，发现Ni2P/Fe3O4复合材料的光催化降解性能比Ni2P 微球更好，在紫外光照射90min 后，该Ni2P/Fe3O4复合材料对亚甲基蓝溶液的降解率可达到85%。

2.2 电化学性能

为了降低能量势垒，提高能量转换效率，科学家们在有效的电催化剂方面做了大量的研究[16]。Zhang 等[17]成功合成了锂离子电池的MIL-53(Fe)和MIL-53(Fe)@RGO 正极材料。Fe3+↔Fe0氧化还原过程利于Li 在MIL-53(Fe)中的储存，因对苯二甲酸配体的羧酸酯基团导电性差且在电极表面形成厚的固体电解质界面膜，而RGO 的引入，提高了电导率，加快了电荷转移速率，从而提高了电池的性能。Huili Zhang[18]发现当制得的Fe3O4/碳纳米管复合材料中七水合硫酸亚铁量为200mg 时，在放电电流密度为0.5A/g 条件下，Fe3O4/碳纳米管的比电容高达618F/g，在500 次循环之后电容保持率可达56.8%。Weiguo Zhang 等[19]自组装合成超薄α-Fe2O3/还原氧化石墨烯水凝胶(3DGH)复合材料，并将此作为超级电容器的电极材料，他们发现当α-Fe2O3粒径为100nm 左右时，铁负载量为40%的α-Fe2O3/3DGH 复合材料的比电容(750.8F/g，1A/g)和循环稳定性(在10A/g 电流密度下，充放电5000 次后比电容保持率为81.9%) 比纯α-Fe2O3材料的比电容(251.6F/g，1A/g)和循环稳定性(充放电5000 次后比电容保持率为43.8%)要高，且在此时为最大。

2.3 吸附性能

近年来纳米材料作为吸附剂在废水处理中得到了广泛的关注。Jia 等[20]以红薯叶提取物为原料合成了Fe/Cu 纳米复合材料，其对罗丹明B 的最大吸附量为484.18mg/g，这足以表明Fe/Cu 纳米复合材料在罗丹明B 废水处理方面具有较好的应用潜力。谭宏伟[21]制备出的Fe3O4/NH2-MIL-125（Ti）复合材料对亚甲基蓝具有很好的吸附能力，最大吸附量为250.45mg·g-1，并有良好的循环吸附能力。制备的产品以磁铁为核的ZIF-67（Co）复合材料，最大吸附孔雀石绿的量达到7000mg·g-1，并有较好的循环吸附能力。

2.4 电磁性能

Geng 等[22]通过乳液聚合法制备了四氧化三铁/聚苯胺(Fe3O4/PANI)的复合材料，其电磁屏蔽性能与复合前的聚苯胺以及四氧化三铁相比明显增强。Huang 等[23]制备出了多层石墨烯Fe@Fe3O4复合材料，材料的自然共振频率在4.3GHz 左右，其饱和磁化强度可达140emu·g-1，该Fe@Fe3O4复合材料在纳米微波吸波材料和轻质吸波领域具有较好的应用前景。

2.5 摩擦学性能

Yang 等[24]采用化学修饰的方法制备石墨烯负载四氧化三铁(G/Fe3O4) 复合材料。他们通过在SN5W-30 润滑油中添加G/Fe3O4复合材料做了大量实验，四球摩擦实验表明：G/Fe3O4复合材料作具有良好的摩擦学性能，使用油酸和KH570 共同修饰的效果比单独使用油酸修饰明显要好；沉淀稳定性实验表明：放置10d 后，添加采用油酸和KH570 共同修饰的复合材料铁元素含量下降了31.1%，添加采用油酸修饰的复合材料铁元素含量下降了39%，未添加复合材料的润滑油铁元素含量下降了48.3%。Jie 等[25]研究了Fe/PTFE 复合材料在摩擦过程中：当摩擦线速度增加时，材料的摩擦诱导磁感应强度会逐渐变小；当填料含量或载荷增加时，摩擦诱导磁感应强度逐渐增加；当载荷超过2.5MPa 后，摩擦诱导磁感应强度会略有下降。Fe/PTFE 复合材料的摩擦诱导磁化行为会对减小摩擦降低磨损产生有益的影响。

2.6 磨损性能

王亮亮等[26]采过浇注法在基体表面原位生成了TiC 颗粒增强铁基表面梯度复合材料，结果表明该陶瓷层耐磨性相比灰铸铁有很大程度的提高。王静等[27]利用粉末冶金技术，在真空状态下使Fe-Ti-C 体系进行碳化反应原位合成TiC/Fe 基复合材料，在重载干滑动磨损条件下此TiC/Fe 基复合材料显示出很好的耐磨性能。