付晓雨，毕 菲，李运成，周倍汇，李 慧

(吉林建筑大学材料科学与工程学院，吉林 长春 130118)

铁酸锌(ZnFe2O4)是一种优秀磁源，在水和空气中有良好的稳定性，有着优异的物理和化学特性。目前铁酸锌(ZnFe2O4)在光催化[1]、电化学[2]、吸附[3]和气敏领域[4]有广泛的应用。本文针对铁酸锌目前的研究现状，根据其在不同领域中的优缺点及其改进方法和效果，进行了分类总结。

1 铁酸锌在光催化领域的应用

铁酸锌(ZnFe2O4)的光化学稳定性良好，对可见光的利用率高，制作难度低，安全无毒，具有优异的磁性。但铁酸锌的带隙仅有1.9eV，光生电子和空穴易发生复合，使得光催化效率变差。

近些年来，很多研究人员对ZnFe2O4基复合光催化剂进行了研究。Mohammad Javad Rashidi等人[1]采用两步溶胶凝胶法，成功制备出了ZnFe2O4/NiTiO3复合光催化纳米材料[图1(a)]，之后又利用电泳沉积法，将所制备的ZnFe2O4/NiTiO3与掺氟氧化锡的玻璃进行复合。最终制得的复合光催化材料，其光伏转换效率比ZnFe2O4高出6.6倍。在紫外光照射下，150min时，对甲基橙的降解效率可达到92%，而ZnFe2O4的降解效率在相同时间内只有68%。Mansheng Chen等人[2]先采用喷雾热解法制备了ZnO/ZnFe2O4/SiO2，再以NaOH为捕获剂，捕获SiO2制备出了有较大空隙的ZnO/ZnFe2O4[图1(b)]。在紫外光照射下，180min时对亚甲基蓝的降解率达到98.9%。Chunlei Wang等人[3]通过调控Zn和Fe的摩尔比及剂量，采用静电纺丝法制备出了ZnO/ZnFe2O4异质结光催化纳米管[图1(c)]，在500W氙灯的照射下，150min时对罗丹明B的降解率达到99%。Rui Zhang等人[4]采用水热法，制备出了具有良好的磁回收性能的牡丹花状双Z型 PANI/BiOBr/ZnFe2O4光催化剂[图1(d)]，在可见光照射下，60min时对甲基苯的还原效率达到了87.1%；30min时，对甲基橙、甲基蓝、双酚A、诺氟沙星的降解率分别达到了95.32%、90.97%、75.64%、89.75%。

图1 几种ZnFe2O4基复合光催化剂的SEM图

研究人员将铁酸锌与其他材料进行复合，在二者的性能上取长补短，制备出光催化效果优于单一光催化剂的复合光催化材料，并利用铁酸锌优良的磁性，使得复合材料具有优异的磁回收性能，在解决传统的光催化材料难以回收而产生二次污染问题的同时，进一步降低了污染物的降解成本。提高铁酸锌复合材料的孔隙率或者是将其附着在模板上，可增大其与降解物的接触面积，从而提高复合材料的降解效率。铁酸锌复合材料的性能，与制备方法及复合材料的种类密切相关，如何制备出小巧均匀、性能稳定、光波长响应度好的铁酸锌复合材料，仍需要广大研究人员的不断探索。

2 铁酸锌在电池领域的应用

在电池领域，锂电池具有工作电压高、能量密度大、自放电小、不会产生记忆效应、循环性能好、使用寿命长等优点，在便携式电子设备等领域得到了广泛的应用。随着对锂电池研究的不断深入，目前采用的石墨和各种碳材料的实际比容量已经接近其理论比容量。研究人员发现，尖晶石型ZnFe2O4不但具有与一般过渡金属氧化物负极材料相当的转化反应能力，且之后生成的金属Zn还可以与Li发生进一步的合金化反应，可增大电池材料的嵌锂容量，其理论比容量是石墨和各种碳材料的2.88倍。此外，ZnFe2O4中存在两种金属的协同作用，其工作电位比一般的铁氧化物要低一些。在实际应用中，ZnFe2O4还具有安全无污染、结构稳定、原材料价格低廉等优点。但是，ZnFe2O4的导电性差，在嵌锂和脱锂的过程中颗粒易粉化，导致倍率性能变差的同时又会加快循环衰减[5-6]。

为了改善ZnFe2O4的缺点，研究人员采用纳米化、表面包碳、与碳材料复合、与金属氧化物复合、掺杂金属离子、改变其孔结构和孔隙率等方法对ZnFe2O4的性能进行优化[7]。Chen Mei等人[8]采用溶剂热法制得了ZnFe2O4纳米颗粒，在ZnFe2O4纳米材料的表面涂覆碳。纳米化增加了颗粒与电解液的接触面积，降低了电化学极化，增大了活性点位，改善了倍率性能，缩短了锂离子的迁移路径，从而缓解了嵌锂和脱锂时产生的结构内应力，使得复合材料具备优异的电化学性能[图2(a)]。Hui Qiao等人[9]采用静电纺丝法制备了ZnFe2O4纳米纤维， 再用水热法和冷冻干燥法，在ZnFe2O4上附着了石墨烯，以防止纳米颗粒因团聚而使储锂空间缩小，在提升复合电极材料的电子导电性的同时，不会影响材料的比热容[图2(b)]。Wei Wu等人[10]采用共沉淀法合成了α-Fe2O3/ZnFe2O4，构建了以ZnFe2O4为支架，附着α-Fe2O3纳米晶体的胶囊形状的复合材料[图2(c)]，利用ZnFe2O4和α-Fe2O3的协同作用，提高了复合电极材料的电容，并优化了材料的速率性能和循环稳定性。Jinhuan Yao等人[11]采用共沉淀法合成了掺杂Sn的ZnFe2O4复合材料[图2(d)]，金属阳离子Sn掺杂在ZnFe2O4中，显著提高了锂的储存容量，提高了ZnFe2O4材料的循环性能。

图2 几种ZnFe2O4纳米颗粒的SEM图

上述对ZnFe2O4进行改性而制备得到的铁酸锌复合材料，其储锂性能、电容、速率性能和循环稳定性都得到了很大的提升。但仍在某些方面存在不足。表面包碳在提升材料循环和倍率性能的同时，其复杂的制备过程和高温碳对材料长时间的包覆，阻碍了材料性能的提升，同时碳包覆的复合材料无法阻止材料颗粒之间发生团聚，过度扩大材料空隙以提升储锂空间，导致材料的纳米颗粒容量随着充放电次数的增加而迅速减小，原因在于纳米级别的颗粒在脱锂和嵌锂的过程中出现了团聚现象，使得材料粉化或在材料表面形成绝缘层，从而影响了材料的容量。金属氧化物或掺杂金属离子的研究还不够深入，但目前的研究发现，可以从多方面来改善ZnFe2O4复合电极材料的性能。

3 铁酸锌在吸附领域的应用

铁酸锌纳米材料在吸附领域主要是处理有机染料污水。染料废水长时间在水中积存，会阻碍光在水体中的传播，从而造成大量水体生物死亡，对人类的生命安全产生巨大的威胁。同时，这类有机材料分子中存在芳香共轭结构，很难将其彻底分解。

物理吸附法具有能耗低、成本低廉等优点，但吸附剂进行吸附后难以回收，易对环境造成二次污染。ZnFe2O4是一种安全稳定、来源广泛、价格低廉的优秀磁源。吸附剂与ZnFe2O4制备的复合吸附材料不仅可以有效吸附水中的污染物，还可以通过强磁体进行回收后重复使用，进一步降低了生产成本，符合绿色、可持续循环使用的发展理念[12]。

ZnFe2O4与传统的电磁波吸附剂石墨烯复合后，可以有效解决石墨烯自身导电率高、强烈的表面效应、单一衰减机制介电损耗切线等问题，在提升材料抗阻的同时，又保留了石墨烯的优良特性[13]。

有害气体主要是指H2S和SO2。H2S被人体吸入超过一定浓度后会和血液结合，对人体产生致命的危险。而大气中的H2S氧化后会形成SO2，导致酸雨等自然危害。可以利用金属氧化物对H2S超强的亲和力，来吸附环境中的有害气体H2S。ZnFe2O4是一种高温脱硫吸附剂，但ZnFe2O4只能在高温下进行脱硫吸附[14]。研究人员将ZnFe2O4与其他材料复合，以优化ZnFe2O4的性能。Jonghun Han等人[15]先用Hummers法制备出石墨烯，然后在采用沉淀-水热法制备La2O2CO3/ZnFe2O4时，将石墨烯加入高压反应釜，制得了La2O2CO3/ZnFe2O4与石墨烯的复合材料[图3(a)]。该复合材料通过π-π之间的相互作用、静电相互作用、表面络合以及与氢键的结合，实现了对污染物的吸附。120min时，对亚甲基蓝和罗丹明b的降解率分别达到了97.3%和94.2%。Puzhen Chen等人[16]通过对石墨烯导电网络的氧化分解，制备了ZnFe2O4/Fe2O3/rGO复合材料[图3(b)]。ZnFe2O4为空心球形，Fe2O3为菱形块状,ZnFe2O4与GO发生反应后，在二者中间生成了菱形Fe2O3块。菱形Fe2O3块的出现，改善了异质界面结构，削弱了强磁，从而改善了阻抗匹配。Zijian Liao等人[17]采用静电纺丝法制备出了ZnFe2O4/C纤维，通过氧化聚合反应，将聚吡咯(PPy)附着在ZnFe2O4/C纤维表面[图3(c)]。PPy的引入增强了阻抗匹配和电磁衰弱，使电磁波的吸收性能得到了提升。Chao Yang等人[18]采用湿浸渍法，将ZnFe2O4附着在由活性炭颗粒组成的网状结构上[图3(d)]。ZnFe2O4高度分散沉积在活性炭表面，不仅降低了孔隙率，增加了材料表面的pH值，也影响了碳基的微观结构，在ZnFe2O4和活性炭的协同作用下，复合材料对H2S的最高吸附容量达到了122.5mg·g-1，是其理论容量的2倍。

图3 几种铁酸锌纳米材料的SEM图

目前ZnFe2O4在吸附领域的研究还较少。将光催化与物理吸附相结合，实现对污染物降解的研究还不够成熟。如何制备出性能稳定、光催化性能与物理性能兼优的复合材料，需要更加深入的探索。同时，如何利用ZnFe2O4有效解决有害气体和电磁波给人们带来的危害，也需要更加深入的研究。

4 铁酸锌在气敏领域的应用

充斥在大气中的各种有害气体，时刻危害着我们的身体健康。气体传感器可以检测环境中是否存在有害气体。半导体气体传感器具有灵敏度高、安全无污染、易批量生产、成本低等优点，可以通过掺杂贵金属对半导体气体传感器进行改性。半导体金属氧化物分为p型和n型，p型对氧化性气体有良好的选择性和灵敏性，n型则对还原性气体有较好的亲和度。ZnFe2O4是一种晶胞中存在氧缺陷的n型半导体材料，因此对还原性气体具有非常优越的气敏性能。

张新星等人[19]对ZnFe2O4进行改性，优化了传感器的灵敏度，提高了对目标气体的识别能力和抵抗其他气体干扰的能力，提高了传感器的响应恢复速度。Xiang Ma等人[20]采用热解法制备出了对丙酮气体有优异传感性能的均匀异质结构ZnO/ZnFe2O4空心立方体复合材料。其表面的多孔壳状结构与ZnO/ZnFe2O4构成的异质结发生了协同反应，从而促进了气体分子的扩散和表面反应[图4(a)]。Kaidi Wu等人[21]采用单罐溶剂热法制备出了ZnFe2O4/rGO空心球体复合材料[图4(b)]。Zn-Fe2O4与rGO构成的异质结及二者的衍生物，提高了对气体分子的吸附-解吸能力和气体传感性能，展现了比纯相ZnFe2O4或rGO更好的灵敏度和响应恢复速度。Yin YAN等人[22]采用溶剂热法、退火和化学刻蚀工艺，制备了掺杂Au的ZnFe2O4蛋壳结构微球[图4(c)]。蛋壳结构有利于气体分子的稳定扩散，还可以控制材料中的化学成分。测试结果显示，该复合材料对H2S气体的选择性明显高于其他气体。Shuang Li等人[23]采用溶剂热法制备了Zn(Fe)-MOF前体，经适当的退火工艺，使其分解为分层MOFs，接着以分层MOFs为前体，设计合成了分层奇异果状的ZnO/ZnFe2O4复合材料[图4(d)]。这种结构使得材料表面的活性点位高度接近，并使ZnO和ZnFe2O4二者界面之间的氧分子和目标气体分子能有效扩散。该材料对三乙胺气体（TEA）具有很强的选择性，并增强了TEA气体的传感性。

图4 几种气敏性ZnFe2O4复合材料的SEM图

以上研究都只是针对ZnFe2O4的某一方面进行改性。可以考虑通过多种方式去激活ZnFe2O4的分子结构，改变材料的微观结构，以提升材料的气敏性能，使得ZnFe2O4可以在气敏领域有更好的发展。

5 结语

综上所述，通过研究人员的不断努力，ZnFe2O4在光催化领域、电化学领域、吸附领域和气敏领域都取得了不错的应用效果。但是铁酸锌在这些相关领域应用时仍存在缺陷，所以，如何在各方面、多角度地对ZnFe2O4进行优化，以制备出更符合需求的ZnFe2O4基复合材料，需要研究人员开展进一步的深入研究。