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嘉峪檢測網 2020-12-03 14:06
研究人員合成了不同氧化鐵/二氧化硅比例的磁性氧化鐵-二氧化硅殼納米復合材料，并通過傅里葉變換紅外光譜、X射線衍射、小角度中子散射、磁性和N2吸附研究進行結構表征。選擇接觸表面積和磁化飽和度方面性能最好的復合材料進行水介質對Pb2+的吸附研究。該材料呈現出良好的吸附能力（最大吸附能力14.9 mg-g-1），與文獻中提出的類似材料相當。其化學物理穩定性和吸附能力推薦該納米復合材料作為一種廉價的鉛吸附材料。
人類現代化的生活與土壤、空氣和水污染直接相關，其中一個主要問題是與向環境排放未經處理的化學品和有毒廢物的工業發展有關。如今，污染物的清除是一個全球性的挑戰，尤其是散布在環境中的重金屬對人類健康非常有害，是導致癌癥、出生缺陷或神經系統問題的主要原因之一，更不用說對動植物的破壞。材料科學家們已經開發出了幾種去除水中重金屬的策略，從化學技術到物理技術、磁技術或電技術，從成本、效率、簡單性、分離和再生等方面來看，性能最好的似乎是依靠化學或物理吸。因此近來開發了不同的工程納米材料，包括二氧化硅或碳基、金屬或氧化石墨烯納米顆粒。
其中，磁性氧化鐵納米顆粒的出現不僅因為其良好的吸附性能，還因為其可以從水體系中輕松去除。氧化鐵磁性納米顆粒(MNPs)，的確具有表面積大、吸附金屬離子的活性位點多、選擇性好、毒性低等特點。但由于其表面具有疏水性，在水介質中會發生聚集，降低了吸附效率。因此，一些小組進行了多孔、無定形或有序結構的有機或無機殼的包覆。
基于這一背景，本文報道了采用兩步法合成MNPs@SiO2磁性納米復合材料及其對水介質中Pb2+離子的吸附性能。在MNPs@SiO2的合成過程中，采用不同的氧化鐵納米顆粒和二氧化硅的比例，以確定獲得高表面積的氧化鐵-二氧化硅殼納米復合材料的最佳條件，并確定了表面最高、飽和磁化（Ms）值最好的探針對Pb2+離子的吸附性能。
磁性MNPs@SiO2納米復合材料的合成研究
在每次涂布操作之前，用不同量的二氧化硅新鮮獲得單獨批次的磁性氧化鐵納米顆粒。按照以前報道的合成策略，通過使用NaOH的堿性反向共沉淀法獲得MNPs。具體而言，將分別制備的43 mL FeCl3-6H2O(0.1 M)和25 mL FeSO4-7H2O溶液(0.1 M)混合后加入到25 mL NaOH溶液(1 M)中。將反應混合物在室溫下攪拌(300rpm)30分鐘。用水和絕對乙醇洗滌幾步后，得到的黑色磁性沉淀物準備用于用二氧化硅涂布步驟，按照適應的Stöber方法進行。特別是，通過將適量的TEOS和乙醇在300轉/分鐘下混合10分鐘，然后加入水，得到由TEOS、乙醇和水組成的溶液(見表1)。將所得溶液加入到所制備的納米氧化鐵顆粒(見表1)中，在300轉/分下混合10分鐘。通過向反應混合物中加入氨水溶液(25％)，開始TEOS的水解和縮合。反應在不斷攪拌和室溫下進行3小時，然后在室溫下陳化10天。所得的沉淀物用絕對乙醇洗滌以除去未反應的物種，并在60℃、烘箱中干燥12小時。
表1.合成參數匯總。
X射線衍射（XRD）研究
圖1給出了樣品的XRD圖樣，而表2則報告了使用WPPF方法獲得的平均結晶尺寸。
圖1.磁性納米復合材料的X射線衍射（XRD）模式。
表2. 平均結晶尺寸。
納米復合材料的XRD衍射圖譜顯示了立方尖晶石結構的特征峰（9009768 -COD數據庫）。在2θ ~22-25°處有可見的寬衍射峰，表明存在非晶硅。考慮到單獨的批次的磁性氧化鐵納米顆粒是新鮮獲得的每個涂層操作之前與不同數量的二氧化硅，平均結晶尺寸的微小變化可能會觀察到。然而，這些變化是在3納米的范圍內，這表明非常好的重復性和精確控制的共沉淀過程。
傅立葉變換紅外光譜學（FT-IR）
納米復合材料的FT-IR光譜見圖2。
圖2.磁性納米復合材料的傅里葉變換紅外（FT-IR）光譜。磁性納米復合材料的傅里葉變換紅外（FT-IR）光譜
由于識別出這兩種成分的特征帶，光譜表明復合材料中同時存在氧化鐵和二氧化硅：由于形成了Fe-O-Si鍵，Fe-O的典型拉伸振動轉移到570cm-1，Si-O-Si的反對稱(1090cm-1)和對稱(800cm-1)拉伸帶，Si-O-Si或O-Si-O彎曲(460cm-1)和Si-O拉伸(950cm-1)。
磁性測量
圖3和表3分別給出了合成的納米復合材料的磁化曲線和磁性參數。
圖3.磁性納米復合材料的磁化曲線。磁性納米復合材料的磁化曲線。
表3.納米復合材料的磁性參數。納米復合材料的磁性參數。
飽和磁化值的順序是相同的，輕微的差異是由二氧化硅涂層厚度（含量）的變化引起的，因為每個樣品含有不同數量的磁性氧化鐵，每克。然而，Ms的數值表明合成材料對外部磁場的反應良好。這有利于材料與溶液的分離，這也是這類材料作為廢水中重金屬離子吸附劑應用的一個重要特點。
結論
研究人員合成了3種磁性納米氧化鐵-二氧化硅殼材料，其中含有不同質量百分比的直徑10nm左右的氧化鐵納米顆粒。納米復合材料的形態取決于合成中所用MNPs的質量百分比。選擇表面最高、磁性能最好的樣品從水性介質中進行Pb2+吸附研究（MNPs35@SiO2）。
MNPs35@SiO2呈現出比表面積271.0 m2 g-1、總孔體積1.0 cm3 g-1、孔徑24.9 nm的較高值。獲得的納米復合材料的飽和磁化值為12.4 emu g-1，表明合成材料對外磁場具有良好的響應，這也是作為吸附劑適用于去除廢水中重金屬的重要特征。最大吸附能力為14.9 mg-g-1，與文獻報道的同類納米復合材料的結果相當。
研究人員通過動力學、熱力學和平衡研究，建立了Pb2+離子的吸附機制。結果表明，吸附發生在材料表面，是一個自發的、內熱的過程，可能有物理鍵的參與(氫鍵或靜電吸引)，但該過程主要受化學吸附的支配。最后，為了提高工藝效率和隨之而來的廣泛使用，經濟實惠且穩定性好，進行了Pb2+解吸研究，確定了它可以再利用，且效率很高。
論文鏈接：https://www.mdpi.com/2076-3417/10/8/2726/htm
來源：賢集網
