铁系纳米材料的制备及其应用研究
2021-11-12杜永芳陈桂娟王安杏刘念
杜永芳,陈桂娟,王安杏,刘念
(安徽职业技术学院,安徽合肥230011)
铁系纳米材料是指由金属铁及其化合物形成的纳米材料。铁系纳米材料具有超顺磁性和强矫顽力等磁性特性,便于回收、循环使用;另有吸附性、还原性、小尺寸效应、磁导向性、生物相容性等特殊性能,使得铁系纳米材料在磁性材料、环境修复、能源开发、选择性催化、生物医药等领域具有广阔的应用前景。
1 铁系纳米材料的制备
1.1 金属铁系及其化合物纳米材料的制备
因纳米铁对有机氯化物、重金属离子(Cr,Pb,As)和有机污染物优秀的处理能力而受到广泛好评,可用于水处理技术。用常规气、液相法制备的零价纳米铁虽然具有更小的体积、较强的磁性等优点,但是它容易发生聚集和钝化,在环境中无法稳定存在,使其反应性和流动性降低,使用受到限制。刘鸿霞等将金属修饰与固体负载综合起来,利用电沉积法成功制备了吸附性能良好与还原效果优良的活性炭负载型镍铁双金属颗粒(Ni/Fe-AC BPs),30 min可100%去除Cr。
纳米FeO具有良好的光学、磁性和催化性能。曹魁等利用共沉淀法制备了微纳米级FeO,但其颗粒较大且部分发生团聚现象;而利用水热法制备的纳米FeO却不易团聚,且光催化性能更高。Kale等利用微乳液法制备了粒径约为6 nm的球形NiFeO纳米粉体,与普通的镍铁氧体纳米晶相比,该产品具有低饱和磁化率等特殊的磁性能和催化性能。王岩玲等以Fe(NO)·9HO和Bi(NO)·5HO为原料,用水热法合成了柱状铁酸铋纳米晶体。曹枫等把CHOH、CHCOOH作为溶剂,硝酸铁、硝酸铋为原料,采用凝胶-溶胶法成功制备了铁酸铋纳米光催化剂。
1.2 铁系纳米复合材料的制备
铁系纳米复合材料主要包括两大类:第一类是以二氧化钛、石墨相氮化碳等纳米材料为基础,利用耦合、掺杂和包覆等手段来获得的无机纳米复合材料;第二类是无机/有机纳米复合材料,对于这类材料研究较多的是无机/聚合物磁性纳米复合材料,具体的有磁性核壳结构纳米材料、“三明治”结构纳米材料。
铁系纳米材料与TiO复合或掺杂可以减小纳米二氧化钛的带隙宽度,从而降低电子-空穴的复合概率,提高TiO纳米粒子量子化效率。赵芳通过对TiO表面修饰,并将其与磁性FeO耦合,制备了能够进行磁回收、电子-空穴的复合概率低的B-F-P三元掺杂TiO/FeO纳米复合材料,能有效抑制电子-空穴的复合概率,提高TiO光催化降解效率。
g-CN(石墨相氮化碳)是一种新型的具有稳定光催化活性的非金属纳米材料,但其量子产率较低,人们通过掺杂其他元素形成异质结构来提升其量子产率。农庆燕在石墨相氮化碳的基质上成功制备了FeVO/g-CN,g-CN/Fe(MoO)两类新型铁系纳米复合光催化剂。
使用涂覆、掺杂、包裹等修饰方法对磁性FeO纳米颗粒进行改性,形成磁性核壳结构纳米复合材料,可以减少FeO纳米颗粒的表面能,提高其抗氧化性能。吴艳等以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,采用Stober法在FeO表面上将TEOS水解生成的SiO沉积,形成均匀的SiO涂层,实现了水溶性FeO磁流体的包覆。吴正等用水热法合成了以FeO为磁载体,TiO包裹在FeO表面的磁性核壳结构FeO@TiO纳米光催化剂,并且重复利用5次仍然具有较高的光催化降解效果。
董丽萍以金属铜离子为桥基,通过螯合作用,将刀豆蛋白A(Con A)凝集素固载于材料表面,形成粒径约15 nm的稳定“三明治”结构磁性纳米粒子Con A-Cu-MNPs,其在外界磁场的作用下显示出很好的磁响应性。
2 铁系纳米材料的应用
2.1 在环境领域中的应用
空气污染物主要有CO、NO以及PM2.5,其中氮氧化物大多数为有毒气体,严重影响人类的身心健康。而利用铁系纳米材料的光催化作用去除空气中的NO是未来发展的有效手段之一。张洪亮等使用以FeO负载的NH-SCR催化剂能够在较低温度下将氮氧化物催化还原成N,在整个催化体系中,氧化铁既是体系的载体和助剂,也扮演着活性组分的角色,同时FeO的存在能够显著增强催化剂的抗硫和抗水能力,可以有效避免SO与HO、NH反应生成(NH)SO或NHHSO而导致催化剂中毒失效。
在环保领域中,铁系纳米光催化剂除了能够对水体中有机物、空气中氨氮化物进行光催化氧化外,还可以有效还原重金属离子。辛海燕以壳聚糖为载体制备了具有核壳结构的铁-壳聚糖纳米复合材料,研究发现,该催化剂能够有效地还原Cr,且还原过程与温度成正相关。
在生产生活中,有机污染物的来源有很多,如染料、氯代有机物、农药杀虫剂、制药污染物以及营养盐等,而铁系纳米材料对这些有机污染物有很好的降解效果。如高续春等用自制的Fe/g-CN降解工业水体污染物罗丹明B,其降解效果很好,降解效率较之单纯g-CN提高了3.8倍。刘继晨等制备出的Fe(Ⅲ)/TiO能够高效氧化水产养殖中氨氮有机污染物。
2.2 在新能源领域中的应用
自从1972年水的光电化学分解被Fujishima和Hon⁃da在TiO电极上发现之后,光解水制氢就受到了广泛关注,由此可以有效地解决当前的能源与环境问题。廖添等以Fe、Cr共掺杂制取TiO纳米球,能显著增强TiO光解水制氢效率。高续春等以Fe/g-CN为催化剂光解水制氢,其产氢效率大为提高。
传统的锂电池不能进行大功率输出,无法为新能源汽车提供充足的动力,新型磷酸铁锂电池的出现解决了这一难题。陈继永等研究指出,磷酸铁锂电池可以在常温、低温环境下正常启动,充电速率相对稳定,将其作为新能源汽车启动电源,可以推动汽车行业持续绿色发展。
2.3 在生物医药领域中的应用
纳米铁具有磁化率高、无毒、高比表面积、理化性质活泼和氧化还原能力强等特点,在生物医药领域有广泛的应用前景。
磁共振成像(MRI)可用于对人体内脏、骨骼进行快速有效的诊断,而且不会对人体造成损伤。Huang等成功制备了一种低聚糖包裹的、粒径约为3.5 nm的FeO颗粒,通过水中氢和磁共振造影剂联合作用,使得MRI图像变白,展现出良好的成像效果。
磁响应药物释放的目的是为了减少化疗药物使用,改善癌症治疗方式。Mona Mansouri等采用沉淀法成功制备了一种壳聚糖包裹的抗癌药物紫杉醇,并在交变磁场的作用下,使癌变部位产生局部高温,将装载在壳聚糖内部的药物释放出来,从而杀死癌细胞。
铁系纳米材料因其拥有较好的近红外光响应和高温快速传导离子的能力,可用作光热转换材料。朱永吉等采用热解法成功制备了油溶性纳米Fe-FeO,并通过多巴胺盐酸盐和聚乙二醇单羧酸对其改性,使得该纳米材料具有良好的生物相容性和较高的饱和磁化率,在808 nm激光照射下能够有效地靶向杀死肿瘤细胞。
磁热疗以磁性纳米颗粒、表面活性剂和载液组成的磁性流体的形式存在。Phong等通过微波辅助共沉淀法合成了不同粒径的CoFeO纳米材料,研究表明,其具有较高磁感应加热效率及良好的热疗效果。
2.4 在传感器上的应用
在气体检测系统中,敏感材料至关重要。Kersen采用溶剂合成法,以乙酰丙酮铁CHFeO和双(乙酰丙酮)二氧钼(VI)CHMoO为原料制备了无定型状态的Fe(MoO),再在AlO基板上的Au电极上手工涂覆由Fe(MoO)粉末与α-萜品醇基溶剂混合而成糊剂,成功制得Fe(MoO)厚膜气体传感器,该传感器对空气中的HS十分敏感。当接触低浓度的HS气体(110 mL/m)时,会在表面形成少量的硫化物或硫酸盐,从而有效除去HS。胡明江等通过静电纺丝法制备LaFePdO(x=0、0.05、0.1和0.2)纳米纤维,均匀涂覆于铂金电极上,在硅基底表面上形成敏感膜,其中甲苯传感器(LaFePdO)的灵敏度与甲苯浓度呈良好的线性关系。
3 结束语
综上所述,铁系纳米材料在光、电、磁等方面具有优良的性能,在环境修复、能源开发、医疗保健、气体传感等诸多领域具有重要的应用价值,研究、探索铁系纳米材料更加便捷有效的制备方法及其应用具有重要意义。