磁性纳米材料在分离及催化中的应用探究

杨国杰+李甘

摘 要：随着纳米技术的快速发展，纳米材料被广泛应用于各个领域中，如磁性纳米材料在水处理中的有机物和重金属离子分离等，这也使得人们越来越关注纳米材料在工业方面的应用。磁性纳米材料具有良好的生物相容性和磁导向性，偶连容量高，拥有宏观量子隧道效应、量子效应、小尺寸效应、表面效应等，因此在分离与催化中的应用程度较高。本文就对磁性纳米材料在分离及催化中应用进行分析和探讨。

关键词：磁性纳米材料；分离；催化；应用

物质磁性的研究属于固体物理的重要研究领域，也是工业应用研究的主要课题。近年来，随着纳米技术的快速发展，在很大程度上冲击了传统的磁性产业，但是也使得磁学更为活跃与年轻，显示出良好的应用发展空间，成为最具活力的研究领域。同时磁性纳米材料及其技术的发展，能够提高传统产品的性能，推动传统磁性产业的技术进步，促进相关高新技术行业的发展。

一、磁性纳米材料在分离中的应用

磁性纳米材料在分离中的应用具体表现为以下几点：

（1）金属离子的吸附分离。将磁性纳米粒子和超分子主体分子杯芳烃衍生物进行连接，并结合粒子磁分离特点与杯芳烃的识别功能，对金属离子进行吸附分离。例如：实现废水中锕系和镧系放射性Cs+与金属离子的分离富集时，可以采用杯芳烃来修饰磁性纳米粒子，这样可以的有效除去金属离子Co2+、Ni2+、Cu2+，同时十一烷酸会在粒子表面形成自组装分子层，以此吸附金属离子Cd2+。

（2）水中有机物的检测。对水体中有机物含量进行检测时，多采用高效液相色谱法或气相色谱法，这两种方法具有很高的灵敏度，但是对检测试样要求也极高，工作量十分之大。在废水的检查与分离过程中采用磁性微球时，主要是将待测试样与磁性微球进行混合，借助活性试剂来检测试样中的待测物质，然后在磁场的作用下加以分离和检查，可以减少工作时间和工作量。当然将磁性微球方法用于检测水样中的甲醛含量时，相较于常规的电化学法、色谱法和光度法等而言，其具有更高的检测灵敏度。

（3）吸附脱硫。吸附脱硫主要是以常压常温条件为依据进行操作，对有机硫的吸附具有较高的选择性，目前利用燃油分流进样或固定床的方式来处理燃油脱硫，或者是适当引入现代分离手段，可以有效分离出燃油中的吸附剂，促进脱硫选择性与容量的提高。磁载体技术可以克服反相渗透技术、离子浮选、离子交换等技术的局限性，具有广阔的应用前景。分子筛包覆超顺磁性纳米粒子具有包覆结构，其会与环境隔绝，避免被氧化，将其应用于实际中，可以利用核磁响应的特性或分子筛的较易改性与吸附性，保证磁性纳米材料的优异性能。

二、磁性纳米材料在催化中的应用

（一）氧化反应中的应用

纳米金属氧化物具有合成简单、分散性好、比表面积大、粒径小等优点，属于烃类氧化反应催化剂，在环己烷的催化氧化反应中应用较广。在温和反应条件下，溶剂和催化剂可分别选择CH2Cl2与铁粉，以此进行环己烷氧化反应，了解到铁粉是反应体系中的活性中心，环己酮与环己醇的选择性大70%，环己烷的转化率为11%。在金属粉末制备的磁性配合物和醋酸存在的体系中，助催化剂会生成过酸，并与磁性金属进行反应，形成过氧金属中间体，然后与环己烷中的氢反应生产相应的酮和醇。如果没有溶剂，此反应可在氧气压力围0.8MPa和温度为70℃的条件下得到高选择性的K/A油。

（二）光催化降解反应中的应用

半导体多相光催化法作为一种污染治理技术，被广泛应用于工业中，如锐钦矿型TiO2的光催化性能被人们所关注。TiO2光催化剂的尺寸与其活性成反比，其纳米尺寸的TiO2小尺寸和高比表面积使其具有较高的催化活性，可以有效降解有机物，但是其很难从反应体系中分离，分离成本高且易流失。将TiO2和磁性物质相结合可形成磁载光催化剂，借助磁分离技术则能够对该催化剂进行快速方便地回收，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，磁核与TiO2复合过程中，TiO2沉积过程与加热过程结合时会出现一些问题，如磁核材料选用磁铁矿与镍、镍钴合金时，由于其易氧化，因而会使情况变得更为复杂。

（三）酯化反应中的应用

随着固体酸催化的深入研究，磁性纳米固体酸催化剂的应用范围日趋扩大，能够分离与回收纳米固体酸催化剂。新型的催化剂可以磁性材料为依据，在其外部包覆固体酸催化剂活性组分，以此形成催化活性高、磁性强、粒子尺寸小的包覆型的磁性纳米催化剂，便于回收。学者訾俊峰等在正乙醇和乙酸醋化反应中采用磁性固体超强酸ZrO2/SO42-催化剂，可以利用催化剂的磁性，重复使用和迅速分离催化剂。另外，对于纳米复合固体超强酸催化剂的研究，林德娟等利用纳米化学制备技术，对新型的磁性纳米复合固体超强酸SO42-/CoFe2O4催化剂进行合成，并结合X射线光电子能谱和XRD等技术，有效研究其结构形态。如以乙酸乙醋合成为模型，对该催化剂的催化活性进行考察，并比较其酸强度和酸性，可以知道其酸强度H0<14.5，能对其进行对多次反复使用。

三、结束语

磁性纳米材料作为一种新型的材料，是磁性纳米材料中的核心，也是当前最具活力与前途的材料，具有十分巨大的应用潜力以及很高的研究价值，被广泛应用于分离及催化等方面。随着纳米技术的进一步发展和研究工作的深入，其会给传统磁性产业带来跨越式发展，未來将会开发出更多性能更加优异的磁性材料，为社会的发展和科学的进步做出重要贡献。

参考文献：

[1]郭祖鹏，师存杰，焉海波.磁性纳米材料在分离和检测中的应用研究进展[J].磁性材料及器件，2012（01）：9-19+51.

[2]余靓，刘飞，Muhammad Zubair Yousaf，侯仰.磁性纳米材料：化学合成、功能化与生物医学应用[J].生物化学与生物物理进展，2013（10）：903-917.

[3]徐玲，沈晓旭，肖强，钟依均，叶素芳，叶向荣，朱伟东.Pd/Fe_3O_4-MCNT磁性催化剂的制备、表征及催化性能[J].物理化学学报，2011（08）：1956-1960.

[4]郭祖鹏，郭莉，师存杰，焉海波.磁性纳米催化剂的研究进展[J].精细化工中间体，2011（04）：12-19+23.