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        Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料的制備及應(yīng)用進(jìn)展

        2021-12-01 10:17:20王璐瑤
        農(nóng)技服務(wù) 2021年9期
        關(guān)鍵詞:磁性光催化復(fù)合材料

        王璐瑤, 謝 瀟

        (1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710075; 2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710075; 3.自然資源部 退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實驗室, 陜西 西安 710075; 4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心, 陜西 西安 710075)

        磁性納米粒子(MNPs)具有較大的比表面積和磁性,可以使用外部磁場在短時間內(nèi)進(jìn)行高效分離,因此,在水凈化和光催化方面得到廣泛應(yīng)用。然而,納米尺寸的Fe3O4MNPs存在化學(xué)穩(wěn)定性低、易團(tuán)聚等缺點(diǎn),限制其在工業(yè)上的應(yīng)用[1]。因此,納米復(fù)合材料的制備是開發(fā)功能性納米材料如催化劑、納米藥物、電子材料和污染物清除劑的重要內(nèi)容。目前,零維粒子、一維管或纖維和二維納米片等納米材料結(jié)構(gòu)已被用于制造具有各種不同特性的納米復(fù)合材料,在二維納米片中,層狀雙氫氧化物已被證明是穩(wěn)定MNP最合適且易獲得的材料之一[2-3]。層狀雙氫氧化物(LDH)的通式為[M1-x2+Mx3+(OH)2]x+(An-)x/n·mH2O,其中,M2+和M3+分別為二價(如Mg2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+)和三價陽離子(如Fe3+、Al3+、Ga3+);x的范圍從0.20~0.33,代表M3+在金屬離子中的摩爾分?jǐn)?shù);An-幾乎可以是任何有機(jī)或無機(jī)陰離子。Fe3O4MNPs與LDH 的結(jié)合,可以改善使用后的材料從水中的分離與再生,而制備方法是影響Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與功能的主要原因之一,因此,對Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料的特點(diǎn)、常見制備方法及其應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行歸納總結(jié),以期為該材料在污水處理、催化等領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

        1 Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料的特點(diǎn)

        使用LDH作為具有集體活性位點(diǎn)的光催化劑的吸附劑,其優(yōu)勢在于:1) 層狀結(jié)構(gòu)由大量羥基化的表面組成,這些表面可提高光催化活性。2) 水鎂石型結(jié)構(gòu)的靈活性決定LDHs層間可插入諸如Co2+、Al3+等陽離子,作為電荷分離中心,以增強(qiáng)其功能性。3) 水鎂石型結(jié)構(gòu)在層內(nèi)可使得金屬均勻分散[4]。

        新型Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料具有廣闊的應(yīng)用前景,包括靶向藥物遞送、磁共振成像、光催化[5]和環(huán)境修復(fù)[6]等。一般情況下,最佳的磁性Fe3O4/LDHs光催化結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn):1) 合成和制造過程簡單易行,產(chǎn)率高。2) 磁性Fe3O4/LDHs復(fù)合體系具有優(yōu)越的光催化性能,明顯優(yōu)于現(xiàn)有的單一Fe3O4和純層狀雙氫氧化物樣品。3) 磁性Fe3O4/LDHs光催化劑可通過外部磁場回收,易于再生和重復(fù)使用。4) Fe3O4/LDHs光催化劑必須具有良好的耐光腐蝕性能。

        2 Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料的制備

        磁性Fe3O4MNP和LDH的表面分別帶負(fù)電和正電,目前Fe3O4MNPs和LDHs納米復(fù)合材料的制備一般通過2個樣品之間的靜電相互作用進(jìn)行。此外,作為納米材料,LDHs和Fe3O4MNPs在應(yīng)用過程中普遍存在聚集問題,但是Fe3O4/LDHs納米復(fù)合材料不存在該問題。共沉淀法、水熱法是合成Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料最常用的方法,此外,溶劑熱反應(yīng)和剝離重組裝方法也可用于合成Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料。各種制備方法均會影響Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料的形狀和結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響其催化能力。

        2.1 共沉淀法

        共沉淀法是制備不同LDH和新型磁性Fe3O4納米粒子復(fù)合材料(如Fe3O4/LDHs)最常規(guī)的方法,通過該方法制備的Fe3O4/LDHs材料一般為亞微米到幾十微米的寬顆粒尺寸分布。最初,鎂/鋁摩爾比為2∶1的硝酸鎂和硝酸鋁被同時加入100 mL水中,再使用0.02 mol/L NaNO3和2 mol/L NaOH的混合溶液在持續(xù)攪拌2 h過程中加入,用以改變?nèi)芤簆H,然后將約20 mL的Fe3O4加入上述溶液,最終制得的材料稱為Fe3O4/Mg2Al-NO3-LDHs。通過調(diào)節(jié)前驅(qū)體溶液的濃度及pH可制備不同的Fe3O4/LDHs復(fù)合材料,如有研究者在pH為9~10時成功制備出Fe3O4/Mg-Al-CO3-LDHs,在pH為10時成功制備出Fe3O4/LDHs/CuMgAl-LDHs[7]。

        2.2 水熱合成法

        水熱合成法是制備Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料的一種非常典型且簡單可靠的方法,可以獲得高純度的Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料,可根據(jù)反應(yīng)中主要組合物的蒸氣壓使用低壓,或高壓條件來控制待制備材料的形態(tài)。水熱合成法一般將樣品充分混合通過共沉淀法得到的溶液轉(zhuǎn)移到目標(biāo)溫度和氣壓的襯有聚四氟乙烯的高壓釜中,在高壓釜內(nèi)保持壓力,使水溶液的沸點(diǎn)升高,從而防止蒸發(fā)和允許成核發(fā)生。Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料的尺寸和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以通過改變混合時間、pH、加熱持續(xù)時間和加熱溫度等實驗參數(shù)來實現(xiàn)。已有學(xué)者通過該方法成功合成Fe3O4/ZnCr LDHs磁性復(fù)合材料,用于去除重金屬離子和降解有機(jī)染料[8]。由于所制備的樣品結(jié)晶良好且形態(tài)均勻,水熱合成比共沉淀法更具優(yōu)勢。

        2.3 溶劑熱反應(yīng)法

        溶劑熱反應(yīng)法是制備不同形貌Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料最常用和最有效的制備方法之一。在該方法中,高壓釜中充滿水或有機(jī)化合物,在高溫高壓條件下進(jìn)行反應(yīng)。該方法可促進(jìn)反應(yīng)物之間的反應(yīng),有利于水解,隨后晶體生長,促進(jìn)溶液中Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料的自合成。Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料的形態(tài)、尺寸和結(jié)構(gòu)可以通過改變不同的反應(yīng)參數(shù)來控制,如反應(yīng)介質(zhì)、反應(yīng)時間、壓力、pH和反應(yīng)物濃度以及高壓釜的填充體積等。與其他方法相比,該方法適用于制備各種不同形狀的Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料。如0.104 g Fe3O4納米顆粒在超聲波下溶解到100 mL非水溶液中,以含有Na2CO3和NaOH的pH緩沖溶液調(diào)節(jié)pH使其保持為10,再將含有2.310 g Mg(NO3)2·6H2O和1.125 g Al(NO3)3·9H2O的100 mL非溶液滴入上述懸浮液中,所得樣品在60℃下保存24 h,最后使用磁鐵分離制備的樣品,并用去離子水洗滌5次,然后在60℃下干燥24 h,最終得到Fe3O4/MgAl-LDHs[9]。

        3 Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料的應(yīng)用

        目前,F(xiàn)e3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)和光催化領(lǐng)域。Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料可通過光催化降解將有機(jī)染料完全轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機(jī)酸、H2O和CO2。NI等[10]研究Fe3O4-RGO/NiAl-LDHs納米復(fù)合材料在可見光照射下對水中環(huán)丙沙星的吸附性能,結(jié)果顯示,其降解速率比NiAl-LDH/RGO和純NiAl-LDHs快1.5倍甚至3倍,污染物不僅被吸附在Fe3O4/LDHs表面,還會被降解,同時,F(xiàn)e3O4-RGO/NiAl-LDHs納米復(fù)合材料還具有良好的磁分離能力和穩(wěn)定的催化活性,可大大提高廢水處理能力,有利于其實際應(yīng)用。Fe3O4/MgAl-LDHs納米復(fù)合材料可通過其表面陰離子吸附,或共沉淀途徑去除重金屬陽離子。另外,F(xiàn)e3O4/LDHs納米復(fù)合材料因其層狀結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的性質(zhì),在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用也一直是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn),由于其低毒性和先進(jìn)的生物相容性,在非甾體抗炎藥、抗癌藥物載體等方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。

        4 結(jié)語

        Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料比普通LDHs具有更大的比表面積、更優(yōu)良的吸附能力和穩(wěn)定性。目前,制備Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料的方法有溶劑熱法、水熱法和共沉淀法,且該材料在光催化處理、環(huán)境修復(fù)及生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。但缺乏Fe3O4/LDHs磁性磁性納米復(fù)合材料的危害評估,以及不同環(huán)境條件對其環(huán)境修復(fù)和光催化的影響研究有待加強(qiáng)。同時,今后應(yīng)重視Fe3O4/LDHs磁性納米復(fù)合材料對重金屬、有機(jī)染料等多種污染物同時去除能力的研究。

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