Fe3O4在催化劑領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進展

王 暢

（湖北科技學(xué)院 核技術(shù)與化學(xué)生物學(xué)院，湖北咸寧 437000）

四氧化三鐵，化學(xué)式為Fe3O4，由于其具有磁性，因此又稱為磁鐵礦或磁性氧化鐵。Fe3O4中不僅含有二價鐵離子，還含有三價鐵離子，但不能單純的認為Fe3O4就是FeO 和Fe2O3的混合物，目前比較流行的觀點是Fe3O4是由FeO 和Fe2O3組成類似FeO·Fe2O3的化合物[1]。Fe3O4在自然界中具有豐富的儲量，且在常溫下就具備較強的亞磁鐵性和導(dǎo)電率，因此在各大領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是一種非常具有應(yīng)用潛力的材料。納米Fe3O4又稱Fe3O4磁性顆粒，其粒徑通常在5～100nm，該粒徑范圍屬于準零維，因此相比普通Fe3O4具有更多的特性。納米Fe3O4具有更大的比表面積，更好的磁性和導(dǎo)電性[2]，近年來許多研究表明其作為催化劑或催化劑載體用于催化領(lǐng)域具有廣闊的前景。

1 納米Fe3O4作為催化劑的研究進展

1.1 在氨合成催化中的應(yīng)用

20世紀，氨合成工業(yè)長期受限于催化劑失活問題，導(dǎo)致其發(fā)展緩慢，經(jīng)過眾多學(xué)者的大量研究論證，發(fā)現(xiàn)納米Fe3O4可用于催化氨合成反應(yīng)，且其具備穩(wěn)定性好，達成轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點[3]。隨著研究的深入，逐漸發(fā)現(xiàn)了Fe1-xO 基催化劑體系，這一催化體系的發(fā)現(xiàn)也是我國氨合成工業(yè)進入了全新發(fā)展階段的標志。

1.2 過氧化氫分解催化中的應(yīng)用

關(guān)于納米Fe3O4的催化作用研究起步較晚，直到2007年，才有研究表明納米Fe3O4具有催化過氧化氫分解的功能，這也是首次關(guān)于納米Fe3O4催化功能的報道[4]。隨后有研究將Fe3O4加入含過氧化物酶的底物中，并通過化學(xué)發(fā)光法檢測到有H2O2產(chǎn)生，這表明納米Fe3O4具備催化過氧化氫氧化的性能[5]，自此之后大量的研究開始探究其催化作用。

1.3 其他方面的催化應(yīng)用

國外有學(xué)者將納米Fe3O4與沉積碳進行結(jié)合，形成具有特殊性質(zhì)的納米包裹材料，并將其與葡萄糖水溶液進行水熱反應(yīng)，最終得到了Fe3O4/C 包裹的納米材料，這表明納米Fe3O4能夠催化葡萄糖水熱反應(yīng)[6]。

由于納米Fe3O4具有磁性，通過外加磁場的方式能夠很方便將其分離，正是基于這一特性，在催化反應(yīng)結(jié)束后，能夠很容易將其與反應(yīng)產(chǎn)物分離，這也是它相比其他催化劑的一大優(yōu)點。

2 納米Fe3O4作為催化劑載體的研究進展

由于納米Fe3O4粒徑很小，具備較大的比表面積，通過對納米Fe3O4表面進行改性，增加其表面的粗糙度，再將各種催化劑負載于其表面即可得到結(jié)構(gòu)特殊的催化劑復(fù)合材料。該種催化劑復(fù)合材料穩(wěn)定性極高，適用于高溫或高壓條件的催化反應(yīng)。

2.1 納米Fe3O4作為催化劑載體在污水處理中的應(yīng)用

在污水處理行業(yè)，二氧化鈦是十分常用的一種催化劑，但催化反應(yīng)結(jié)束后二氧化鈦回收較難，已經(jīng)成為制約其應(yīng)用的主要原因之一。有學(xué)者將二氧化鈦負載于納米Fe3O4制備出了復(fù)合催化劑材料，在處理完廢水后，只需外加磁場就能很方便將其分離，然后繼續(xù)用于下一批污水的處理，大大提高了復(fù)合催化劑的回收率和再利用率，復(fù)合催化劑的分離工藝也得到簡化[7]。其他研究將尿刊酸和銅利用水熱法負載于納米Fe3O4上，得到復(fù)合納米催化劑，發(fā)現(xiàn)其在工業(yè)染料行業(yè)污水處理中具有不錯的催化活性，且循環(huán)利用率高，綜合成本低廉[8]，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 納米Fe3O4作為催化劑載體在有機合成中的應(yīng)用

2.2.1 負載金屬催化劑

近年來，納米Fe3O4負載金屬的催化劑在有機合成中的應(yīng)用逐漸得到認可。有研究將金屬釕負載于納米Fe3O4上應(yīng)用于磺胺類藥物的合成中，發(fā)現(xiàn)在催化反應(yīng)中對于碳氮鍵形成具有較高的選擇性，副產(chǎn)物少，且生成物與催化劑易分離，可進行回收再利用，該種有機合成方法十分環(huán)保[9]。

其他研究還表明，將納米Fe3O4先與各種連接體或交聯(lián)劑結(jié)合，再負載金屬應(yīng)用于有機合成具有明顯的優(yōu)勢。國外學(xué)者現(xiàn)將多巴胺與納米Fe3O4結(jié)合，然后負載金屬鈀得到復(fù)合納米催化劑，該催化劑可用于芳香族疊氮化合物和硝基化合物的氫化[10]。

2.2.2 負載有機小分子催化劑

常規(guī)催化劑在有機合成催化中的用量通常較大，此外還存在催化劑與生成物難分離的問題，基于這一難題，有研究提出將有機小分子催化劑負載于惰性載體上，在反應(yīng)結(jié)束后通過過濾或離心等分離方法將催化劑進行分離。而隨著納米Fe3O4的廣泛應(yīng)用，由于其優(yōu)良的特性，已經(jīng)逐漸取代惰性載體作為有機小分子催化劑載體。

有學(xué)者將DMAP（4-N-N-二烷基氨基吡啶）負載于納米Fe3O4上得到復(fù)合有機小分子催化劑，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，只需常規(guī)催化劑用量的一半即可獲得較高的催化活性，而且催化反應(yīng)結(jié)束后，只需簡單過濾就能分離催化劑，再經(jīng)過真空干燥就能再次使用[11]。另外的研究將Cys（L-半胱氨酸）負載于納米Fe3O4上用于催化β-氨基羰基化合物的合成，結(jié)果表明，該復(fù)合催化劑在循環(huán)使用9次后其催化活性仍未出現(xiàn)明顯下降，基于其高催化活性和循環(huán)利用率，以及低綜合成本和環(huán)保性，應(yīng)用前景十分廣闊[12]。

3 結(jié)束語

納米Fe3O4不僅可作為催化劑，還能作為其他金屬催化劑、小分子有機催化劑等的載體。由于其相比傳統(tǒng)催化劑具備易分離、循環(huán)利用率高和綜合成本低等優(yōu)點，目前已經(jīng)逐漸應(yīng)用于各類微反應(yīng)器和連續(xù)化學(xué)合成等領(lǐng)域的催化反應(yīng)中。