铁氧体三维微纳结构复合材料的构建及其在海水淡化中的应用

邓海鑫 黎 敏 韩依珉 黄春雷 孙荣爽 陈鸿华 姚 磊 张文妍＊

（金陵科技学院材料工程学院，江苏 南京 211169）

淡水是人类赖以生存和发展的重要资源。随着社会经济的发展、工业化进程的加快和全球人口的爆炸性增长，人类对淡水资源的需求急剧增加，人类的未来发展日益受到淡水资源匮乏的制约。据保守估计，截至2025 年，全球将至少有18 亿人口面临缺水问题。对于我国而言，尽管我国的淡水资源总量位于世界第6 位，但由于人口基数较大，人均水资源仅排全球第121位；制约我国淡水资源利用的第二个问题是空间分布不均的问题，南北淡水资源储量差距极为明显，区域淡水资源储量的不均衡制约了部分地区社会和经济的发展；此外，在我国的部分地区还存在主干道河流环境恶化、水质污染、地下水资源过度开采等问题，加剧了这些地区的淡水资源匮乏和生态危机[1-4]。

由此可见，如何有效解决淡水资源的匮乏问题及区域平衡问题，已成为影响我国未来发展的瓶颈问题。实际上，地球表面约有70%的面积被海洋所覆盖，发展低耗能、低成本、环境友好型的海水淡化科技，从海水中汲取淡水，将成为解决当前淡水资源问题的重要途径[5,6]。太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源。通过光热转换，将太阳能转换成热能并局部集中到空气和水的界面处进行局部加热，能够有效提高海水的界面蒸发效率，降低海水淡化的成本[7,8]。这种方法还能够缓解水资源空间分配不均匀的问题，特别适用于一些太阳光充足而运输条件有限的临海边远地区。

近年来，有研究发现Fe3O4纳米晶团簇材料具有良好的光热效应，通过光辐照引导光子与Fe3O4纳米晶团簇的晶格之间发生相互作用，加剧其晶格振动，可有效实现光能-热能的转换。然而，目前国内外对Fe3O4纳米晶团簇材料的光热效应研究，多侧重于其在生物医疗领域的应用，较少有该类材料在海水淡化领域的研究报道[9,10]。实际上，Fe3O4纳米晶团簇材料不仅具备优异的近红外光热效应，还具备生物相容性好、绿色环保、材料尺寸和磁学性能易于调控、成本低廉等优点，且Fe3O4纳米晶团簇材料可进行磁分离，不会对海洋水体造成污染，可望在海水淡化领域发挥重要潜力。

结合以上研究进展，本文探索如何设计与构建基于Fe3O4纳米晶团簇的铁氧体三维微纳结构复合材料，并探索其在海水淡化领域的应用潜力。在研究过程中，分别构建了Fe3O4纳米晶团簇微球(M-Fe3O4)、Fe3O4纳米晶团簇微球/聚吡咯核壳结构材料(M-Fe3O4@PPy)、以及M-Fe3O4@PPy 和石墨烯的三元复合材料(M-Fe3O4@PPy@RGO)，利用这三类材料的光热转换效应，提高了模拟海水的蒸发效率，发展了环境友好型铁氧体海水淡化材料。

1 铁氧体三维微纳结构复合材料的构筑

铁氧体三维微纳结构复合材料的构筑，主要包含了3 个步骤：

(1)Fe3O4纳米晶团簇微球(M-Fe3O4)的制备：将适量FeCl3·6H2O、柠檬酸钠、聚丙烯酸钠和尿素溶于蒸馏水，180℃水热反应12 小时，制得Fe3O4纳米晶团簇材料。

(2)将Fe3O4纳米晶团簇微球与导电聚合物聚吡咯(PPy)进行复合，制备M-Fe3O4@PPy 核壳结构材料：通过化学聚合法，将PPy 原位聚合在Fe3O4纳米晶团簇微球上，自组装形成M-Fe3O4@PPy 核壳结构，PPy 壳层可起到对Fe3O4纳米晶团簇的保护作用。

(3)M-Fe3O4@PPy 核壳结构材料与石墨烯(RGO)的复合，制备M-Fe3O4@PPy@RGO 三元复合材料：通过偶联剂聚乙烯吡咯烷酮的偶联作用，以及PPy 和RGO 之间的π-π 作用，将RGO 组装在Fe3O4@PPy 核壳结构上，自组装形成M-Fe3O4@PPy@RGO，RGO 可起到对Fe3O4@PPy 核壳结构的保护作用。

图1(a)所示为Fe3O4纳米晶团簇微球(M-Fe3O4)的透射电镜图。从图1(a)可见，M-Fe3O4是由许多纳米晶体组装而成的中空球体，微球直径约为200nm。图1(b)是M-Fe3O4的XRD 谱图，图中的衍射峰分别对应于Fe3O4的(111)、(220)、(311)、(400)、(422)、(511)、(440)和(533)晶面。

图1

图1(c)所示为M-Fe3O4@PPy 核壳结构材料的透射电镜图。从图1(c)可见，M-Fe3O4@PPy 具有核壳结构，其内核为Fe3O4纳米晶团簇微球(M-Fe3O4)，PPy 包覆在M-Fe3O4表面，形成核壳结构，PPy 壳层的厚度约为30nm 左右，PPy 壳层可起到对M-Fe3O4的保护作用。

图1(d)所示为M-Fe3O4@PPy@RGO 三元复合材料的透射电镜图。从图1(d)可见，在M-Fe3O4@PPy@RGO 三元复合微纳结构材料中，石墨烯片层偶联在M-Fe3O4@PPy 核壳结构表面，形成了连接M-Fe3O4@PPy 核壳结构材料的“桥梁”，能够起到对M-Fe3O4@PPy 的保护作用。

2 铁氧体磁性微纳结构材料增益海水蒸发效率的研究

对M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy 和M-Fe3O4@PPy@RGO 增益海水蒸发效率的性能进行研究。在研究过程中，使用的溶液是模拟海水，将这三种铁氧体三维微纳结构材料分散在模拟海水中，分析比较在太阳光辐照（自然光）及100W 红外光辐照下溶液的蒸发效率，所得结果如图2、图3 所示。其中，空白对比样品为模拟海水，其中未分散铁氧体三维微纳结构材料。

图3

图2(a)所示为太阳光源（自然光）辐照下模拟海水溶液蒸发效率-时间曲线，图2(b)所示为太阳光源辐照下200 分钟后的海水蒸发效率比较。从图2(a)中可见，在200 分钟测试时间范围内，分散了M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy@RGO 和M-Fe3O4@PPy 的模拟海水，其蒸发效率均高于空白样品，说明M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy@RGO 和M-Fe3O4@PPy确实具备了一定的光热效应，辐照光子与这三种铁氧体三维微纳结构材料之间的相互作用，促进了光能-热能的转换，提高了模拟海水的蒸发效率。

从图2(b)中可见，经过200 分钟的辐照测试，分 散 了 M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy@RGO 和M-Fe3O4@PPy 的模拟海水的蒸发效率分别约为13%、9%、6%，空白样品的蒸发效率约为5%。M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy@RGO 和M-Fe3O4@PPy 的蒸发效率分别是空白样品的2.6 倍、1.8 倍和1.2 倍。其中，M-Fe3O4对海水的蒸发效率增益最为显著，达到了160%，这可能是由于PPy 壳层和RGO 片层阻挡了部分太阳光子，降低了太阳光子Fe3O4纳米晶团簇之间的相互作用。

图2

图3(a)所示为100W 红外光辐照下模拟海水溶液蒸发效率-时间曲线，图3(b)所示为100W 红外光辐照下200 分钟后的海水蒸发效率比较。从图3(a)中可见，在200 分钟测试时间范围内，分散了M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy@RGO 和M-Fe3O4@PPy 的模拟海水，其蒸发效率依然均高于空白样品，说明这三个样品的具备了一定的光热效应，促进了海水蒸发效率的提高；此外，各个样品的蒸发效率均高于使用太阳光辐照的同类样品(参比图2(a))，这说明100W 红外光辐照下样品的光热效应优于太阳光辐照下的光热效应，红外光子与这三种铁氧体三维微纳结构材料之间的相互作用能够更有效地促进光能-热能的转换，进一步提高模拟海水的蒸发效率。

从图3 (b) 中可见，经过200 分钟的辐照测试，分散了M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy@RGO 和M-Fe3O4@PPy 的模拟海水的蒸发效率分别约为20%、25%、29%，空白样品的蒸发效率约为18%。M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy@RGO 和M-Fe3O4@PPy 的蒸发效率分别是空白样品的1.1 倍、1.4 倍和1.6 倍。其中，含M-Fe3O4@PPy 的模拟海水的蒸发效率提高达60%，表现出比含M-Fe3O4和M-Fe3O4@PPy@RGO 的模拟海水更高的蒸发效率。这可能是与PPy 的近红外吸收性能有关[11,12]。PPy 壳层具有优异的近红外吸收性能，可增益M-Fe3O4在红外辐照下的光热效应，使含有M-Fe3O4@PPy 的模拟海水表现出比M-Fe3O4更高的蒸发效率。

3 结论

本文从提高海水界面蒸发效率的研究目的出发，设计构建了三类铁氧体三维微纳结构材料M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy 和M-Fe3O4@PPy@RGO。 研 究 表 明，M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy 和M-Fe3O4@PPy@RGO 具有一定的光热转换效应，能够提高海水蒸发效率。在太阳光辐照下，M-Fe3O4海水蒸将发效率提高了160%，高于M-Fe3O4@PPy 和M-Fe3O4@PPy@RGO；在100W 红外光辐照下，M-Fe3O4@PPy 将海水蒸发效率提高了60%，高于M-Fe3O4和M-Fe3O4@PPy@RGO，这可能是与PPy 的近红外吸收性能有关。