Fe3O4在催化剂领域的研究现状及应用进展

2020-01-14王畅

化工设计通讯 2020年3期

王畅

（湖北科技学院核技术与化学生物学院，湖北咸宁 437000）

四氧化三铁，化学式为Fe3O4，由于其具有磁性，因此又称为磁铁矿或磁性氧化铁。Fe3O4中不仅含有二价铁离子，还含有三价铁离子，但不能单纯的认为Fe3O4就是FeO 和Fe2O3的混合物，目前比较流行的观点是Fe3O4是由FeO 和Fe2O3组成类似FeO·Fe2O3的化合物[1]。Fe3O4在自然界中具有丰富的储量，且在常温下就具备较强的亚磁铁性和导电率，因此在各大领域得到广泛应用，是一种非常具有应用潜力的材料。纳米Fe3O4又称Fe3O4磁性颗粒，其粒径通常在5～100nm，该粒径范围属于准零维，因此相比普通Fe3O4具有更多的特性。纳米Fe3O4具有更大的比表面积，更好的磁性和导电性[2]，近年来许多研究表明其作为催化剂或催化剂载体用于催化领域具有广阔的前景。

1 纳米Fe3O4作为催化剂的研究进展

1.1 在氨合成催化中的应用

20世纪，氨合成工业长期受限于催化剂失活问题，导致其发展缓慢，经过众多学者的大量研究论证，发现纳米Fe3O4可用于催化氨合成反应，且其具备稳定性好，达成转化率高等优点[3]。随着研究的深入，逐渐发现了Fe1-xO 基催化剂体系，这一催化体系的发现也是我国氨合成工业进入了全新发展阶段的标志。

1.2 过氧化氢分解催化中的应用

关于纳米Fe3O4的催化作用研究起步较晚，直到2007年，才有研究表明纳米Fe3O4具有催化过氧化氢分解的功能，这也是首次关于纳米Fe3O4催化功能的报道[4]。随后有研究将Fe3O4加入含过氧化物酶的底物中，并通过化学发光法检测到有H2O2产生，这表明纳米Fe3O4具备催化过氧化氢氧化的性能[5]，自此之后大量的研究开始探究其催化作用。

1.3 其他方面的催化应用

国外有学者将纳米Fe3O4与沉积碳进行结合，形成具有特殊性质的纳米包裹材料，并将其与葡萄糖水溶液进行水热反应，最终得到了Fe3O4/C 包裹的纳米材料，这表明纳米Fe3O4能够催化葡萄糖水热反应[6]。

由于纳米Fe3O4具有磁性，通过外加磁场的方式能够很方便将其分离，正是基于这一特性，在催化反应结束后，能够很容易将其与反应产物分离，这也是它相比其他催化剂的一大优点。

2 纳米Fe3O4作为催化剂载体的研究进展

由于纳米Fe3O4粒径很小，具备较大的比表面积，通过对纳米Fe3O4表面进行改性，增加其表面的粗糙度，再将各种催化剂负载于其表面即可得到结构特殊的催化剂复合材料。该种催化剂复合材料稳定性极高，适用于高温或高压条件的催化反应。

2.1 纳米Fe3O4作为催化剂载体在污水处理中的应用

在污水处理行业，二氧化钛是十分常用的一种催化剂，但催化反应结束后二氧化钛回收较难，已经成为制约其应用的主要原因之一。有学者将二氧化钛负载于纳米Fe3O4制备出了复合催化剂材料，在处理完废水后，只需外加磁场就能很方便将其分离，然后继续用于下一批污水的处理，大大提高了复合催化剂的回收率和再利用率，复合催化剂的分离工艺也得到简化[7]。其他研究将尿刊酸和铜利用水热法负载于纳米Fe3O4上，得到复合纳米催化剂，发现其在工业染料行业污水处理中具有不错的催化活性，且循环利用率高，综合成本低廉[8]，具有十分广阔的应用前景。

2.2 纳米Fe3O4作为催化剂载体在有机合成中的应用

2.2.1 负载金属催化剂

近年来，纳米Fe3O4负载金属的催化剂在有机合成中的应用逐渐得到认可。有研究将金属钌负载于纳米Fe3O4上应用于磺胺类药物的合成中，发现在催化反应中对于碳氮键形成具有较高的选择性，副产物少，且生成物与催化剂易分离，可进行回收再利用，该种有机合成方法十分环保[9]。

其他研究还表明，将纳米Fe3O4先与各种连接体或交联剂结合，再负载金属应用于有机合成具有明显的优势。国外学者现将多巴胺与纳米Fe3O4结合，然后负载金属钯得到复合纳米催化剂，该催化剂可用于芳香族叠氮化合物和硝基化合物的氢化[10]。

2.2.2 负载有机小分子催化剂

常规催化剂在有机合成催化中的用量通常较大，此外还存在催化剂与生成物难分离的问题，基于这一难题，有研究提出将有机小分子催化剂负载于惰性载体上，在反应结束后通过过滤或离心等分离方法将催化剂进行分离。而随着纳米Fe3O4的广泛应用，由于其优良的特性，已经逐渐取代惰性载体作为有机小分子催化剂载体。

有学者将DMAP（4-N-N-二烷基氨基吡啶）负载于纳米Fe3O4上得到复合有机小分子催化剂，经过测试发现，只需常规催化剂用量的一半即可获得较高的催化活性，而且催化反应结束后，只需简单过滤就能分离催化剂，再经过真空干燥就能再次使用[11]。另外的研究将Cys（L-半胱氨酸）负载于纳米Fe3O4上用于催化β-氨基羰基化合物的合成，结果表明，该复合催化剂在循环使用9次后其催化活性仍未出现明显下降，基于其高催化活性和循环利用率，以及低综合成本和环保性，应用前景十分广阔[12]。