基于鐵基復(fù)合材料的制備及其應(yīng)用進(jìn)展

段娟娟，朱婷，晏志薇，劉潔，方夢(mèng)婕，羅明珠，譚美輝，嚴(yán)敏，陳萍華，蔣華麟

（南昌航空大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西南昌330063）

鐵基材料價(jià)格低廉、來(lái)源豐富、安全性能好、物化性能優(yōu)良等特點(diǎn)，備受科研工作者的青睞[1]。本文基于鐵基制備復(fù)合材料方法及其在各方面應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 基于鐵基的復(fù)合材料制備方法

鐵基復(fù)合材料制備方法多樣, 主要有：水熱法、種子沉積法、溶劑熱法等。

謝建新等[2]采用水熱法，以FeCl3·6H2O、對(duì)苯二甲酸等為原料，150℃下在反應(yīng)釜反應(yīng)，經(jīng)冷卻、離心、加水處理、離心干燥得MIL-53(Fe)產(chǎn)品。Liu 等[3]采用一步硫化法成功制備出的Fe3O4@SiO2@ZnO/ZnS納米復(fù)合材料有明顯的超順磁性，及可見(jiàn)光下對(duì)四環(huán)素的光催化降解效率可達(dá)80.71%。Wang 等[4]通過(guò)水熱法制備了磁性氧化石墨(MGO)和磁性氧化石墨烯/MIL-100(Fe)(MGO/MIL-100(Fe)0.3) 復(fù)合材料，在紫外光的照射下，MGO/MIL-100(Fe)0.3催化降解吖啶橙染料廢水性能與MGO 相比有明顯提高。Han 等[5]通過(guò)種子沉積法制備出了花狀磁性Fe3O4/Mg(OH)2磁性復(fù)合材料。Peng 等[6]采用溶劑熱法制備出不同復(fù)合比的MIL-53 (Fe)/g-C3N4復(fù)合材料，他們發(fā)現(xiàn)不同復(fù)合比的MIL-53(Fe)/g-C3N4作為光催化劑對(duì)有機(jī)染料羅丹明B 和無(wú)色有機(jī)小分子草甘膦光化學(xué)催化降解性能都不相同，當(dāng)MIL-53 (Fe) 與g-C3N4的復(fù)合質(zhì)量比為2∶40∶1 時(shí)，復(fù)合材料具有最佳的光催化活性。梁夢(mèng)迪等[7]通過(guò)溶劑熱法成功改性材料MIL-53(Fe)-(CF3)2，產(chǎn)品對(duì)2,2-二甲基丁烷的吸附量最小，對(duì)3－甲基戊烷的靜態(tài)吸附量最大，選擇性分別為1.70 和1.29。Geng 等[8]通過(guò)粉末冶金法制備了TiCp/Fe 復(fù)合材料，增強(qiáng)體TiC 均勻的分布在Fe基體中。趙方彪等[9]用聚乙烯吡咯烷酮對(duì)溶劑熱法制備的四氧化三鐵進(jìn)行表面修飾，同時(shí)引入了氨基制得磁性材料Fe3O4@NH2-MIL-53(Al)。2019年，夏琦[10]采用一種簡(jiǎn)單的一步沉積法合成了MIL-53(Fe)/SnS 復(fù)合材料。Hu 等[11]采用水熱法將磷鉬酸H3PMo12O40與金屬有機(jī)骨架MIL-101(Fe)進(jìn)行復(fù)合，制得復(fù)合材料H3PMo12O40/MIL-101(Fe)。該復(fù)合材料對(duì)亞甲基藍(lán)的去除率明顯高于兩種純物質(zhì)。Guo 等[12]采用“一鍋法”制備納米核-殼結(jié)構(gòu)的Ag@Fe3O4復(fù)合材料。Ag@Fe3O4復(fù)合材料相比Ag 單質(zhì)具有更強(qiáng)的抑菌活性，并對(duì)大腸桿菌敏感性更強(qiáng)；Ag@Fe3O4復(fù)合材料在10min 內(nèi)對(duì)甲基橙的催化率達(dá)到了98%以上。

2 鐵基復(fù)合材料性能的應(yīng)用研究進(jìn)展

2.1 光催化性能

在水處理技術(shù)中，光催化法作為一種高效節(jié)能的技術(shù)逐漸引起關(guān)注，比如：2020年，Dai 等[13]先制備出納米TiO2和聚乙烯亞胺（PEI） 修飾的Fe3O4(Fe3O4/PEI)，然后進(jìn)一步制備出了Fe3O4/TiO2復(fù)合材料。在紫外光下復(fù)合材料的光催化活性會(huì)明顯增強(qiáng)，當(dāng)TiO2與Fe 離子投料比為20∶1 時(shí)可見(jiàn)光催化活性性能最好，顯示出了良好的催化穩(wěn)定性和高于90%的催化效率。2019年，He 等[14]合成了MIL-100(Fe)/TiO2復(fù)合光催化劑的光催化性能比原始二氧化鈦明顯要好，可能原因是MIL-100(Fe)與TiO2之間的密切相互作用也可以將光誘導(dǎo)空穴轉(zhuǎn)移到Fe-O 簇，從而使電荷分離得到改善。2016年，Liu 等[15]以亞甲基藍(lán)為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)Ni2P/Fe3O4復(fù)合材料的光催化降解性能比Ni2P 微球更好，在紫外光照射90min 后，該Ni2P/Fe3O4復(fù)合材料對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的降解率可達(dá)到85%。

2.2 電化學(xué)性能

為了降低能量勢(shì)壘，提高能量轉(zhuǎn)換效率，科學(xué)家們?cè)谟行У碾姶呋瘎┓矫孀隽舜罅康难芯縖16]。Zhang 等[17]成功合成了鋰離子電池的MIL-53(Fe)和MIL-53(Fe)@RGO 正極材料。Fe3+?Fe0氧化還原過(guò)程利于Li 在MIL-53(Fe)中的儲(chǔ)存，因?qū)Ρ蕉姿崤潴w的羧酸酯基團(tuán)導(dǎo)電性差且在電極表面形成厚的固體電解質(zhì)界面膜，而RGO 的引入，提高了電導(dǎo)率，加快了電荷轉(zhuǎn)移速率，從而提高了電池的性能。Huili Zhang[18]發(fā)現(xiàn)當(dāng)制得的Fe3O4/碳納米管復(fù)合材料中七水合硫酸亞鐵量為200mg 時(shí)，在放電電流密度為0.5A/g 條件下，F(xiàn)e3O4/碳納米管的比電容高達(dá)618F/g，在500 次循環(huán)之后電容保持率可達(dá)56.8%。Weiguo Zhang 等[19]自組裝合成超薄α-Fe2O3/還原氧化石墨烯水凝膠(3DGH)復(fù)合材料，并將此作為超級(jí)電容器的電極材料，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)α-Fe2O3粒徑為100nm 左右時(shí)，鐵負(fù)載量為40%的α-Fe2O3/3DGH 復(fù)合材料的比電容(750.8F/g，1A/g)和循環(huán)穩(wěn)定性(在10A/g 電流密度下，充放電5000 次后比電容保持率為81.9%) 比純?chǔ)?Fe2O3材料的比電容(251.6F/g，1A/g)和循環(huán)穩(wěn)定性(充放電5000 次后比電容保持率為43.8%)要高，且在此時(shí)為最大。

2.3 吸附性能

近年來(lái)納米材料作為吸附劑在廢水處理中得到了廣泛的關(guān)注。Jia 等[20]以紅薯葉提取物為原料合成了Fe/Cu 納米復(fù)合材料，其對(duì)羅丹明B 的最大吸附量為484.18mg/g，這足以表明Fe/Cu 納米復(fù)合材料在羅丹明B 廢水處理方面具有較好的應(yīng)用潛力。譚宏偉[21]制備出的Fe3O4/NH2-MIL-125（Ti） 復(fù)合材料對(duì)亞甲基藍(lán)具有很好的吸附能力，最大吸附量為250.45mg·g-1，并有良好的循環(huán)吸附能力。制備的產(chǎn)品以磁鐵為核的ZIF-67（Co）復(fù)合材料，最大吸附孔雀石綠的量達(dá)到7000mg·g-1，并有較好的循環(huán)吸附能力。

2.4 電磁性能

Geng 等[22]通過(guò)乳液聚合法制備了四氧化三鐵/聚苯胺(Fe3O4/PANI)的復(fù)合材料，其電磁屏蔽性能與復(fù)合前的聚苯胺以及四氧化三鐵相比明顯增強(qiáng)。Huang 等[23]制備出了多層石墨烯Fe@Fe3O4復(fù)合材料，材料的自然共振頻率在4.3GHz 左右，其飽和磁化強(qiáng)度可達(dá)140emu·g-1，該Fe@Fe3O4復(fù)合材料在納米微波吸波材料和輕質(zhì)吸波領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

2.5 摩擦學(xué)性能

Yang 等[24]采用化學(xué)修飾的方法制備石墨烯負(fù)載四氧化三鐵(G/Fe3O4) 復(fù)合材料。他們通過(guò)在SN5W-30 潤(rùn)滑油中添加G/Fe3O4復(fù)合材料做了大量實(shí)驗(yàn)，四球摩擦實(shí)驗(yàn)表明：G/Fe3O4復(fù)合材料作具有良好的摩擦學(xué)性能，使用油酸和KH570 共同修飾的效果比單獨(dú)使用油酸修飾明顯要好；沉淀穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)表明：放置10d 后，添加采用油酸和KH570 共同修飾的復(fù)合材料鐵元素含量下降了31.1%，添加采用油酸修飾的復(fù)合材料鐵元素含量下降了39%，未添加復(fù)合材料的潤(rùn)滑油鐵元素含量下降了48.3%。Jie 等[25]研究了Fe/PTFE 復(fù)合材料在摩擦過(guò)程中：當(dāng)摩擦線速度增加時(shí)，材料的摩擦誘導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)逐漸變?。划?dāng)填料含量或載荷增加時(shí)，摩擦誘導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增加；當(dāng)載荷超過(guò)2.5MPa 后，摩擦誘導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)略有下降。Fe/PTFE 復(fù)合材料的摩擦誘導(dǎo)磁化行為會(huì)對(duì)減小摩擦降低磨損產(chǎn)生有益的影響。

2.6 磨損性能

王亮亮等[26]采過(guò)澆注法在基體表面原位生成了TiC 顆粒增強(qiáng)鐵基表面梯度復(fù)合材料，結(jié)果表明該陶瓷層耐磨性相比灰鑄鐵有很大程度的提高。王靜等[27]利用粉末冶金技術(shù)，在真空狀態(tài)下使Fe-Ti-C 體系進(jìn)行碳化反應(yīng)原位合成TiC/Fe 基復(fù)合材料，在重載干滑動(dòng)磨損條件下此TiC/Fe 基復(fù)合材料顯示出很好的耐磨性能。

3 總結(jié)

通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外進(jìn)展，我們可以看出鐵基復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，復(fù)合材料的性能一般也比單體的性能好，因此鐵基復(fù)合材料的制備也多受科學(xué)家們的青睞，為彌補(bǔ)單體的不足，復(fù)合材料將會(huì)是科學(xué)研究中的重要領(lǐng)域。