石榴皮提取物绿色合成纳米零价铁及合成机理探究

杨 莉， 张 黎， 张 珊， 李 洁， 王 通， 王 柯， 沈 韵

(长安大学水利与环境学院/旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室， 西安 710054)

纳米零价铁(nano Zero Valent Iron, nZVI)由于具有较高的比表面积和反应活性，对不同类型污染物表现出巨大的催化潜力[1-5]。目前nZVI最常见的合成方法包括液相化学还原法[6]、碳热还原法[7-8]、机械球磨法[9]等。这些方法存在环境污染大[10]、产物活性低[7]、粒径分布均一性差等缺点。基于绿色化学的理念，近年来利用植物提取物绿色合成nZVI逐渐成为研究热点[11]。该法主要利用植物提取物中的活性分子还原Fe2+为Fe0，同时还原过程中的活性分子又可包覆在nZVI表面降低纳米粒子的自聚集程度[12]。与传统方法相比，绿色合成法制备的nZVI具有无二次污染、反应活性高、粒径均一等优点。

在植物提取物合成nZVI的领域，合成样品的粒径和产率受到研究者们的重点关注[13-14]。王嘉瑜等[15]筛选出了3种抗氧化活性高的植物提取液，分别利用其制备了绿茶纳米铁(GT-nZVI)、石榴叶纳米铁(PG-nZVI)和红茶纳米铁(BT-nZVI)，产物平均粒径分别为88、118、124 nm。结果表明：产物粒径与反应活性密切相关，在反应60 min后，GT-nZVI对Cr(Ⅵ)去除效率达到了99.7%，而BT-nZVI的去除率仅为70%，在3种nZVI中去除率最低。KHESHTZAR等[16]在nZVI合成过程中，以绿茶提取物为原料通过实验设计(DoE)及响应面实验(RSM)研究表明：当浸提液体积分数为90%、 Fe3+浓度为25 mmol/L时可获得最大产率的nZVI，制得的nZVI在反应120 min内对甲基橙去除率可达到50%。

绿色合成nZVI的粒径直接影响着合成产物的性能，而提高nZVI产率是实现大规模制备及应用的主要因素之一。因此，在制备具有较小粒径nZVI的同时提高其产率，对实现绿色合成nZVI的工程应用具有现实意义。但目前研究人员在控制nZVI合成条件过程中，很少有研究综合考虑粒径与产率2种因素来衡量合成条件的优劣，同时对合成条件影响的机理很少提及。如果在评价nZVI合成过程中，同时以粒径和产率为指标来衡量合成条件的优劣，并通过分析还原剂分子对粒径、产率的影响规律，揭示合成机理，可实现粒径小、产率高的nZVI的绿色合成。

本文以安石榴苷、鞣花酸、没食子酸[17-18]等多羟基酚类化合物含量丰富的石榴皮为原料，经微波提取得到石榴皮提取液，利用其制备了GS-nZVI，通过对合成样品及提取液物理化学性质的表征，结合化学平衡基本原理分析探究了影响粒径和产率的内在规律。本研究不仅是废弃石榴皮资源化应用的有效拓展，也揭示了影响GS-nZVI粒径和产率的内在规律，为后续高产量、高活性的nZVI的绿色合成提供参考。

1 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

主要试剂：FeSO4·7H2O (分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司)、没食子酸(分析纯，天津市大茂化学试剂厂)、四水合酒石酸钾钠、十二水和磷酸氢二钠、1,10-菲啰啉(AR,广东光华科技股份有限公司)、磷酸二氢钾、无水乙醇(AR, 天津市登峰化学试剂厂)、十二烷基苯磺酸钠(AR,天津市东丽区天大化学试剂厂)、溴化钾(SP,天津市科密欧化学试剂有限公司)、结晶乙酸钠(AR,天津市福晨化学试剂厂)、盐酸羟胺(GR,天津市科密欧化学试剂有限公司)。

主要仪器：扫描电子显微镜(SEM,S4800,日本Hitachi)、透射电子显微镜(Talos F200X,美国FEI)、傅里叶红外光谱仪(Avatar-360,美国Nicolet)、X-射线衍射仪(XRD,D8ADVANCE,德国布鲁克)、紫外-可见分光光度计(UV-1800,上海美谱达)、纳米粒度电位仪(Zetasizer Nano ZSE,英国马尔文)、热重分析仪(TGA,Q500,美国TA)、X射线光电子能谱仪(Thermo ESCALAB 250XI, 美国赛默飞世尔)、微波化学反应器(WBFY-201, 巩义予华)、旋转蒸发仪(RE-5299, 上海亚荣生化仪器)。

1.2 实验方法

1.2.1 石榴皮多酚的提取 将废弃石榴皮洗净、烘干并研磨过筛即得石榴皮粉末。称取榴皮粉末2 g，浸渍于80 mL的乙醇溶液(体积分数为50%)，放入微波反应器中，在持续搅拌条件下反应5 min。待反应结束冷却至室温并静置2 h，取出上清液并在8 000 r/min转速条件下离心20 min，收集上清液便可得到石榴皮多酚提取液。按照GB/T 21733—2008测定提取液中多酚的质量浓度。

1.2.2 GS-nZVI的合成 首先，取50 mL石榴皮多酚提取液在旋转蒸发仪45 ℃真空条件下加热20 min，使体系中的乙醇蒸发，剩余25 mL液体为浓缩多酚提取液。加入0.08 g十二烷基苯磺酸钠(SDBS)于50 mL浓缩多酚提取液中充分溶解，以改善后续合成过程中GS-nZVI的疏水性，便于材料更好的分散[19]。取0.695 g FeSO4·7H2O溶于50 mL去离子水中，并逐滴加入至50 mL浓缩多酚提取液，反应120 min后收集溶液于8 000 r/min转速下离心10 min得到的黑色粒子，分别用去离子水和乙醇清洗3次。最后将上述黑色粒子分散至适量丙酮溶液中，在40 ℃条件下真空干燥120 min，即可得到GS-nZVI，将干燥样品保存至真空袋中。

1.2.3 GS-nZVI合成单因素实验 通过控制变量法探讨了GS-nZVI合成时间t(60、120、180、240 min)、铁盐浓度c(0.050、0.075、0.100、0.125 mol/L)、多酚质量浓度m(15、12、9 mg/mL)对GS-nZVI合成的影响，其余操作同1.2.2节。

1.3 材料表征与数据处理

1.3.1 测试与表征 采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱等手段对合成GS-nZVI进行表征与分析。材料TEM测试的工作电压为200 kV。在对材料进行晶型结构分析的XRD测试中，X射线源采用Cu靶，管电压40 kV，管电流40 mA，扫描范围20°～90°。FTIR分析采用溴化钾压片法，波数范围为4 000～400 cm-1。使用热重分析仪(TGA)测试材料热稳定性，测试在空气气氛下进行，升温速率为10 ℃/min。X射线光电子能谱(XPS)测试时，将C 1s作为内部结合能的标准。采用Zeta电位及粒径分析仪分析样品的表面电荷和粒径分布，按每10 mg样品配100 mL水的比例制样，超声分散[20]。

1.3.2 数据处理 GS-nZVI产率R的计算公式：

(1)

其中，C0是溶液中Fe2+初始浓度(mmol/L)；Ct是GS-nZVI合成过程溶液中总铁浓度(mmol/L)；V是混合溶液体积(mL)。

2 结果与讨论

2.1 GS-nZVI的物相及形貌

实验对合成的GS-nZVI进行了XRD表征(图1A)，样品在2θ=20°～30°出现1个宽驼峰，可能由石榴皮多酚提取液中有机物质引起[21]。GS-nZVI在2θ=44.9°处出现了微弱的Fe0特征峰，这说明Fe0表面被有机物包覆或在性质上是非晶态的[22-23]。

GS-nZVI的形貌通过SEM和TEM表征如图1B、C所示，干燥后的GS-nZVI呈不规则球形结构，大小较为均一，其直径接近200 nm。另外，颗粒表面凹凸不平，这可能是因为石榴皮多酚提取物中多酚包覆在合成的GS-nZVI表面所致[10]。TEM照片中未观察到明显的零价铁晶格条纹，这可能是因为合成的nZVI结晶度不高[24]。在TEM放大图(图1)中，GS-nZVI边缘部分放出现了明显的晶格条纹，其晶格间距为0.485 nm，对应于Fe3O4的(111)晶面[25]，说明合成的GS-nZVI发生了部分氧化。

图1 GS-nZVI的XRD图谱、SEM、TEM图

2.2 GS-nZVI的红外光谱分析

为了探究多酚提取液还原Fe2+的机理，对GS-nZVI合成前后提取液进行了FTIR分析(图2)。如图2A所示，GS-nZVI合成前，在波数3 700～3 200 cm-1处的峰代表酚羟基的伸缩振动，在3 500～2 500 cm-1处的峰属于样品表面的-COOH，在1 633 cm-1处的吸收峰属于芳环结构，在1 401 cm-1处的吸收峰归属于C—H键的伸缩振动，在1 078～1 193 cm-1处的吸收峰属于CO官能团特征峰[26]。该结果说明石榴皮提取物中主要含有酚类物质。通过比较反应前后提取液的FTIR谱可以发现，在3 428 cm-1处的吸收峰变窄，这可能是由于反应前溶液中酚羟基含量较多，分子间存在氢键作用[27]，因而吸收峰较宽，而在还原过程中，酚羟基与Fe2+之间存在相互作用，破坏了分子间氢键作用，使吸收峰变窄。在合成GS-nZVI后，提取液羰基官能团特征峰强度增加，说明O—H基团可与Fe2+发生相互作用，转变为羰基。在619 cm-1处的特征峰代表C—Br伸缩振动峰[28]，反应后提取液的谱峰明显增强，这可能是因为醌类的液体FTIR谱测试采用KBr压片法时，苯醌由于具有较强的氧化性，在多酚弱酸性溶液中易与Br-发生1,4加成反应，形成C—Br键，这也从侧面说明了GS-nZVI合成过程中有大量的-OH被氧化。

基于对GS-nZVI合成前后提取液的FTIR分析，可以认为在石榴皮提取物合成GS-nZVI过程中，Fe2+与石榴皮提取液混合后，提取物多酚类物质结构中的酚羟基可与Fe2+形成配位化合物，随后通过键的断裂和电子的传递作用将Fe2+还原为Fe0，自身被氧化为醌[11]。图2B对反应不同时间合成的GS-nZVI与GS-nZVI合成前提取液的FTIR谱进行对比，不同时间反应合成的GS-nZVI与石榴皮提取液具有相似的红外吸收光谱，证明GS-nZVI表面均被一定程度包覆了多酚。

图2 不同样品FTIR谱

2.3 GS-nZVI的XPS分析

GS-nZVI的XPS分析结果如图3所示，图3A是样品的XPS全谱，样品中除了含有代表性的Fe0以外，还包含C和O元素的特征峰。图3B是GS-nZVI中Fe 2p的高分辨XPS谱，结合能在709.2、715.6 eV处的峰归属于Fe0[29]，证实了GS-nZVI的成功制备；在710.6、723.8 eV处的峰归属于Fe2+[30]；结合能在712.5、729.2 eV处的峰代表Fe3+[14]；结合TEM表征结果可知，这些高价Fe的出现，说明合成的GS-nZVI发生了部分氧化，并生成了Fe3O4等铁氧化物。图3C和图3D分别是C 1s和O 1s的高分辨XPS谱。图3C中结合能在284.4、285.2、286.2、289.1 eV处的峰分别代表CC、C—O、C—H、CO官能团[31]。图3D中结合能在530.3、531.1、531.7、532.3、533.2 eV处的峰分别代表≡H2O[32]。通过XPS分析验证了CC、C—O、C—H、CO以及-OH等官能团的存在，说明合成样品GS-nZVI表面包裹有多酚类有机物，这与FTIR分析所得结论一致。结合Fe 2p的高分辨XPS谱，的存在与铁氧化物的生成有关。另外，XPS分析中所检出的≡H2O代表GS-nZVI表面吸附的结合水。

图3 GS-nZVI的XPS谱

2.4 GS-nZVI的热稳定性

不同反应时间合成的nZVI材料的热重分析如图4所示，所有样品均在100～200 ℃出现了约20%左右的质量损失，这主要可归因于样品表面游离水和结合水的丢失。当温度由200 ℃继续升高至350 ℃，GS-nZVI出现了60%左右的质量损失，结合红外分析可知，这部分减少的质量损失主要来源于样品GS-nZVI表面包覆层有机物多酚的分解[33]。继续升高温度，不同反应时间合成GS-nZVI样品质量趋于稳定，表明样品表面的多酚已分解完全，剩余物质是GS-nZVI残留物。由于该测试是在空气气氛下进行的，零价铁最终被完全氧化成Fe2O3，因此残留物为Fe2O3。而残留物的剩余质量越大，表明样品中含铁量就越多，由于不同时间合成样品的表面结合水的质量无明显差别，而样品的初始质量是一定的，所以样品中含铁量越大，其表面包覆的有机物越少。反应60、120、180、240 min合成的GS-nZVI样品质量残留率分别为13.9%、16.0%、18.1%、18.7%。以上结果说明，反应时间越短，合成的GS-nZVI表面包覆的多酚越多。

图4 不同反应时间合成的GS-nZVI的TGA曲线

2.5 GS-nZVI合成的影响因素

前文提到GS-nZVI粒径和产率直接关系到产物的性能及应用，而多数研究表明反应时间、Fe2+浓度以及多酚的质量浓度是影响纳米粒子产量和粒径的主要因素[16]，基于此，本研究拟探究合成过程中，反应时间、Fe2+浓度以及多酚的质量浓度对GS-nZVI粒径和产率的影响，以期获得粒径小、产率高的GS-nZVI最佳合成条件，结果见表1。

表1 合成条件对GS-nZVI产率的影响

2.5.1 反应时间对GS-nZVI合成的影响 为研究反应时间t对GS-nZVI合成的影响，实验测定了不同反应时长下GS-nZVI的粒径及产率分布情况(图5)。当t从60 min延长到240 min时，粒径从190 nm增大到285 nm，总体上，粒径在不断增大。当t>120 min，粒径分布范围明显变宽。由表1可知，当t由60 min到120 min时，GS-nZVI产率由21.20%增加至24.45%，产率增加幅度较大。但是继续延长反应时间，产率变化越来越不明显，说明此时体系中还原反应进行缓慢。

图5 反应时间对GS-nZVI粒径分布的影响

为探究引起该变化的原因，测定了不同反应时间制得的GS-nZVI表面Zeta电位(图6)。反应不同时间，石榴皮多酚提取液合成的GS-nZVI的Zeta电位值均为负值，且GS-nZVI的Zeta电位绝对值随着反应时间延长而逐渐减小。

图6 反应时间对GS-nZVI Zeta电位的影响

结合FTIR及TGA表征结果，GS-nZVI表面包覆多酚结构中的酚羟基、羧基等官能团的电离会使粒子表面带负电，而随着反应的进行，大量多酚参与Fe2+的还原过程而被消耗，致使包覆在粒子表面的多酚越来越少，负电官能团也随之减少，因此粒子表面带电量逐渐降低，Zeta电位绝对值逐渐减小。Zeta电位绝对值的减小，使得粒子间的静电斥力降低，纳米粒子稳定性也随之降低，更易发生团聚，从而导致合成产物粒径增大、颗粒均一性变差。由上述实验结果可以推断：一方面多酚作为还原剂参与了Fe2+到Fe0的还原反应；另一方面多酚作为稳定剂包覆在了粒子表面，增加粒子间的静电斥力，抑制了粒子的生长。当多酚初始浓度一定时，随着反应的进行，作为还原剂被消耗的多酚越来越多，作为稳定剂的多酚越来越少，因此存在一个时间点，能够在保证稳定剂足够的情况下，有尽可能多的多酚参与还原反应，此时粒子粒径较小，产率也较高。实验结果表明，当反应时间t<120 min时，反应体系能稳定保持较小的粒径，粒径分布较窄，并且产率在明显增大，但当反应时间超过120 min时，产率增长变得缓慢，粒径分布范围明显变宽。因此，确定120 min为最佳反应时间，此时多酚作为还原剂和稳定剂的配比达到最优，可在保持较小粒径的同时获得尽可能高产率的GS-nZVI。

2.5.2 多酚的质量浓度对GS-nZVI合成的影响 多酚的质量浓度ρ(多酚)对合成GS-nZVI粒径分布结果如图7所示，当ρ(多酚)从9 mg/mL增加至15 mg/mL时，其粒径集中分布范围由295 nm降低至213 nm，说明多酚的初始浓度越高，合成粒子的粒径越小。由表1可知，当ρ(多酚)由9 mg/mL增加15 mg/mL时，GS-nZVI产率由16.85%增加至24.45%，增加了7.5%左右，说明增加多酚质量分数有效提高了GS-nZVI的产率。

图7 ρ(多酚)对GS-nZVI粒径分布的影响

根据勒夏特列原理，在GS-nZVI制备过程中，如果增加初始ρ(多酚)，会使平衡向消耗多酚方向移动。当平衡向消耗多酚方向移动时，产物GS-nZVI的产量增加，产率增大；虽然平衡右移消耗了更多的多酚，但新的平衡体系中ρ(多酚)仍然增加，因此体系中仍然会有更多的多酚可作为稳定剂包覆在GS-nZVI表面，使合成产物的粒径更小。不同ρ(多酚)合成的GS-nZVI表面的Zeta电位(图8)也印证了该结论。在整个反应过程中，ρ(多酚)越大的体系，粒子表面Zeta电位的绝对值越大，即粒子带的负电荷越多，这说明有更多的多酚覆盖在粒子表面，增加了粒子表面的负电荷数，因此最终粒子粒径更小。根据以上结论，在GS-nZVI后续的制备过程中，应当尽可能提高ρ(多酚)。本实验后续确定多酚的质量浓度为15 mg/mL。

图8 ρ(多酚)对GS-nZVI Zeta电位的影响

2.5.3 铁盐浓度对GS-nZVI合成的影响 Fe2+浓度对合成GS-nZVI粒径分布、产率的影响结果如图9、表1所示，当溶液中Fe2+浓度c(Fe2+)由0.050 mol/L 升高至0.125 mol/L 时，形成的GS-nZVI粒径分别集中在213、295、342、396 nm左右，这说明Fe2+浓度越低，GS-nZVI粒径越小。从表1可以看出，当Fe2+浓度从0.050 mol/L 增加至0.125 mol/L，GS-nZVI产率由24.45%降低至10.10%。说明铁盐浓度越低，越有利于增大Fe2+转化率，GS-nZVI产率越高。

图9 c(Fe2+)对GS-nZVI粒径分布的影响

降低反应物Fe2+的初始浓度，等价于在Fe2+浓度不变的情况下增加ρ(多酚)。ρ(多酚)的增加更有利于合成粒径小、产率高的GS-nZVI，即Fe2+初始浓度越低，合成的样品粒径越小，产率越高。Fe2+浓度对GS-nZVI表面Zeta电位影响结果(图10)也验证了以上结论。初始铁盐浓度越大，合成过程中GS-nZVI的Zeta电位绝对值越小。这可能因为铁盐浓度越高，更多的多酚会作为还原剂被消耗，生成更多的GS-nZVI粒子，因此每个粒子表面包覆的多酚会减少，Zeta电位绝对值降低。Zeta电位绝对值的降低使得粒子稳定性变差，因此越容易团聚形成较大粒径的粒子。根据以上结论，在后续GS-nZVI制备过程中，Fe2+浓度的选择应当尽可能小。本实验后续确定Fe2+的浓度为0.05 mol/L。

图10 c(Fe2+)对GS-nZVI Zeta电位的影响

2.6 反应条件对样品产率、粒径的影响规律

在GS-nZVI合成过程中，多酚类物质既充当还原剂，又作为稳定剂。如果体系中多酚的相对含量越高，则合成样品的粒径越小、产率越高。根据化学平衡原理，铁盐浓度的降低或ρ(多酚)的升高都相当于体系中多酚质量浓度的增加，因此铁盐浓度越小，ρ(多酚)越高，越有利于合成粒径小、产率高的样品。另外，当反应物初始浓度一定时，反应时间越长，多酚作为还原剂被消耗得越多，剩余的分散剂则越少，导致样品产率在增加的同时粒径也在增大。因此，存在一个时间点，能够保证在稳定剂足够的情况下，有尽可能多的多酚参与还原反应，此时粒子粒径较小，产率也较高。当反应时间大于或小于这个时间点时，得到的产物粒径过大或产率过低。本实验的最佳反应时间是120 min。

3 结论

以石榴皮多酚提取物为还原剂制备的GS-nZVI为无定型结构，粒径约200 nm。FTIR及TGA表征结果表明：石榴皮提取物中多酚类物质结构中的酚羟基是参与Fe2+还原的主要作用官能团，同时多酚可作为稳定剂包覆在GS-nZVI表面。根据化学平衡原理，当反应时间为120 min、Fe2+浓度为0.05 mol/L、多酚的质量浓度为15 mg/mL时，体系中还原剂多酚的最佳用量为15 mg/mL，分散剂SDBS的最佳用量为1.6 mg/mL，合成产物粒径及产率最优。该工作不仅实现了高产率、小粒径纳米零价铁的制备，也可为高产量、高活性nZVI的绿色合成提供参考。