磁性納米材料在分離及催化中的應用探究

楊國杰+李甘

摘 要：隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，納米材料被廣泛應用于各個領域中，如磁性納米材料在水處理中的有機物和重金屬離子分離等，這也使得人們越來越關(guān)注納米材料在工業(yè)方面的應用。磁性納米材料具有良好的生物相容性和磁導向性，偶連容量高，擁有宏觀量子隧道效應、量子效應、小尺寸效應、表面效應等，因此在分離與催化中的應用程度較高。本文就對磁性納米材料在分離及催化中應用進行分析和探討。

關(guān)鍵詞：磁性納米材料；分離；催化；應用

物質(zhì)磁性的研究屬于固體物理的重要研究領域，也是工業(yè)應用研究的主要課題。近年來，隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，在很大程度上沖擊了傳統(tǒng)的磁性產(chǎn)業(yè)，但是也使得磁學更為活躍與年輕，顯示出良好的應用發(fā)展空間，成為最具活力的研究領域。同時磁性納米材料及其技術(shù)的發(fā)展，能夠提高傳統(tǒng)產(chǎn)品的性能，推動傳統(tǒng)磁性產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步，促進相關(guān)高新技術(shù)行業(yè)的發(fā)展。

一、磁性納米材料在分離中的應用

磁性納米材料在分離中的應用具體表現(xiàn)為以下幾點：

（1）金屬離子的吸附分離。將磁性納米粒子和超分子主體分子杯芳烴衍生物進行連接，并結(jié)合粒子磁分離特點與杯芳烴的識別功能，對金屬離子進行吸附分離。例如：實現(xiàn)廢水中錒系和鑭系放射性Cs+與金屬離子的分離富集時，可以采用杯芳烴來修飾磁性納米粒子，這樣可以的有效除去金屬離子Co2+、Ni2+、Cu2+，同時十一烷酸會在粒子表面形成自組裝分子層，以此吸附金屬離子Cd2+。

（2）水中有機物的檢測。對水體中有機物含量進行檢測時，多采用高效液相色譜法或氣相色譜法，這兩種方法具有很高的靈敏度，但是對檢測試樣要求也極高，工作量十分之大。在廢水的檢查與分離過程中采用磁性微球時，主要是將待測試樣與磁性微球進行混合，借助活性試劑來檢測試樣中的待測物質(zhì)，然后在磁場的作用下加以分離和檢查，可以減少工作時間和工作量。當然將磁性微球方法用于檢測水樣中的甲醛含量時，相較于常規(guī)的電化學法、色譜法和光度法等而言，其具有更高的檢測靈敏度。

（3）吸附脫硫。吸附脫硫主要是以常壓常溫條件為依據(jù)進行操作，對有機硫的吸附具有較高的選擇性，目前利用燃油分流進樣或固定床的方式來處理燃油脫硫，或者是適當引入現(xiàn)代分離手段，可以有效分離出燃油中的吸附劑，促進脫硫選擇性與容量的提高。磁載體技術(shù)可以克服反相滲透技術(shù)、離子浮選、離子交換等技術(shù)的局限性，具有廣闊的應用前景。分子篩包覆超順磁性納米粒子具有包覆結(jié)構(gòu)，其會與環(huán)境隔絕，避免被氧化，將其應用于實際中，可以利用核磁響應的特性或分子篩的較易改性與吸附性，保證磁性納米材料的優(yōu)異性能。

二、磁性納米材料在催化中的應用

（一）氧化反應中的應用

納米金屬氧化物具有合成簡單、分散性好、比表面積大、粒徑小等優(yōu)點，屬于烴類氧化反應催化劑，在環(huán)己烷的催化氧化反應中應用較廣。在溫和反應條件下，溶劑和催化劑可分別選擇CH2Cl2與鐵粉，以此進行環(huán)己烷氧化反應，了解到鐵粉是反應體系中的活性中心，環(huán)己酮與環(huán)己醇的選擇性大70%，環(huán)己烷的轉(zhuǎn)化率為11%。在金屬粉末制備的磁性配合物和醋酸存在的體系中，助催化劑會生成過酸，并與磁性金屬進行反應，形成過氧金屬中間體，然后與環(huán)己烷中的氫反應生產(chǎn)相應的酮和醇。如果沒有溶劑，此反應可在氧氣壓力圍0.8MPa和溫度為70℃的條件下得到高選擇性的K/A油。

（二）光催化降解反應中的應用

半導體多相光催化法作為一種污染治理技術(shù)，被廣泛應用于工業(yè)中，如銳欽礦型TiO2的光催化性能被人們所關(guān)注。TiO2光催化劑的尺寸與其活性成反比，其納米尺寸的TiO2小尺寸和高比表面積使其具有較高的催化活性，可以有效降解有機物，但是其很難從反應體系中分離，分離成本高且易流失。將TiO2和磁性物質(zhì)相結(jié)合可形成磁載光催化劑，借助磁分離技術(shù)則能夠?qū)υ摯呋瘎┻M行快速方便地回收，使其多次再生利用且保持一定的光催化活性。值得注意的是，磁核與TiO2復合過程中，TiO2沉積過程與加熱過程結(jié)合時會出現(xiàn)一些問題，如磁核材料選用磁鐵礦與鎳、鎳鈷合金時，由于其易氧化，因而會使情況變得更為復雜。

（三）酯化反應中的應用

隨著固體酸催化的深入研究，磁性納米固體酸催化劑的應用范圍日趨擴大，能夠分離與回收納米固體酸催化劑。新型的催化劑可以磁性材料為依據(jù)，在其外部包覆固體酸催化劑活性組分，以此形成催化活性高、磁性強、粒子尺寸小的包覆型的磁性納米催化劑，便于回收。學者訾俊峰等在正乙醇和乙酸醋化反應中采用磁性固體超強酸ZrO2/SO42-催化劑，可以利用催化劑的磁性，重復使用和迅速分離催化劑。另外，對于納米復合固體超強酸催化劑的研究，林德娟等利用納米化學制備技術(shù)，對新型的磁性納米復合固體超強酸SO42-/CoFe2O4催化劑進行合成，并結(jié)合X射線光電子能譜和XRD等技術(shù)，有效研究其結(jié)構(gòu)形態(tài)。如以乙酸乙醋合成為模型，對該催化劑的催化活性進行考察，并比較其酸強度和酸性，可以知道其酸強度H0<14.5，能對其進行對多次反復使用。

三、結(jié)束語

磁性納米材料作為一種新型的材料，是磁性納米材料中的核心，也是當前最具活力與前途的材料，具有十分巨大的應用潛力以及很高的研究價值，被廣泛應用于分離及催化等方面。隨著納米技術(shù)的進一步發(fā)展和研究工作的深入，其會給傳統(tǒng)磁性產(chǎn)業(yè)帶來跨越式發(fā)展，未來將會開發(fā)出更多性能更加優(yōu)異的磁性材料，為社會的發(fā)展和科學的進步做出重要貢獻。

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