基于鐵基復合材料的制備及其應用進展

段娟娟，朱婷，晏志薇，劉潔，方夢婕，羅明珠，譚美輝，嚴敏，陳萍華，蔣華麟

（南昌航空大學環(huán)境與化學工程學院，江西南昌330063）

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

1 基于鐵基的復合材料制備方法

鐵基復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、對苯二甲酸等為原料，150℃下在反應釜反應，經冷卻、離心、加水處理、離心干燥得MIL-53(Fe)產品。Liu 等[3]采用一步硫化法成功制備出的Fe3O4@SiO2@ZnO/ZnS納米復合材料有明顯的超順磁性，及可見光下對四環(huán)素的光催化降解效率可達80.71%。Wang 等[4]通過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]通過種子沉積法制備出了花狀磁性Fe3O4/Mg(OH)2磁性復合材料。Peng 等[6]采用溶劑熱法制備出不同復合比的MIL-53 (Fe)/g-C3N4復合材料，他們發(fā)現不同復合比的MIL-53(Fe)/g-C3N4作為光催化劑對有機染料羅丹明B 和無色有機小分子草甘膦光化學催化降解性能都不相同，當MIL-53 (Fe) 與g-C3N4的復合質量比為2∶40∶1 時，復合材料具有最佳的光催化活性。梁夢迪等[7]通過溶劑熱法成功改性材料MIL-53(Fe)-(CF3)2，產品對2,2-二甲基丁烷的吸附量最小，對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]通過粉末冶金法制備了TiCp/Fe 復合材料，增強體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溶劑熱法制備的四氧化三鐵進行表面修飾，同時引入了氨基制得磁性材料Fe3O4@NH2-MIL-53(Al)。2019年，夏琦[10]采用一種簡單的一步沉積法合成了MIL-53(Fe)/SnS 復合材料。Hu 等[11]采用水熱法將磷鉬酸H3PMo12O40與金屬有機骨架MIL-101(Fe)進行復合，制得復合材料H3PMo12O40/MIL-101(Fe)。該復合材料對亞甲基藍的去除率明顯高于兩種純物質。Guo 等[12]采用“一鍋法”制備納米核-殼結構的Ag@Fe3O4復合材料。Ag@Fe3O4復合材料相比Ag 單質具有更強的抑菌活性，并對大腸桿菌敏感性更強；Ag@Fe3O4復合材料在10min 內對甲基橙的催化率達到了98%以上。

2 鐵基復合材料性能的應用研究進展

2.1 光催化性能

在水處理技術中，光催化法作為一種高效節(jié)能的技術逐漸引起關注，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)，然后進一步制備出了Fe3O4/TiO2復合材料。在紫外光下復合材料的光催化活性會明顯增強，當TiO2與Fe 離子投料比為20∶1 時可見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空穴轉移到Fe-O 簇，從而使電荷分離得到改善。2016年，Liu 等[15]以亞甲基藍為研究對象，發(fā)現Ni2P/Fe3O4復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復合材料對亞甲基藍溶液的降解率可達到85%。

2.2 電化學性能

為了降低能量勢壘，提高能量轉換效率，科學家們在有效的電催化劑方面做了大量的研究[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氧化還原過程利于Li 在MIL-53(Fe)中的儲存，因對苯二甲酸配體的羧酸酯基團導電性差且在電極表面形成厚的固體電解質界面膜，而RGO 的引入，提高了電導率，加快了電荷轉移速率，從而提高了電池的性能。Huili Zhang[18]發(fā)現當制得的Fe3O4/碳納米管復合材料中七水合硫酸亞鐵量為200mg 時，在放電電流密度為0.5A/g 條件下，Fe3O4/碳納米管的比電容高達618F/g，在500 次循環(huán)之后電容保持率可達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)復合材料，并將此作為超級電容器的電極材料，他們發(fā)現當α-Fe2O3粒徑為100nm 左右時，鐵負載量為40%的α-Fe2O3/3DGH 復合材料的比電容(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α-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，且在此時為最大。

2.3 吸附性能

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

2.4 電磁性能

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

2.5 摩擦學性能

Yang 等[24]采用化學修飾的方法制備石墨烯負載四氧化三鐵(G/Fe3O4) 復合材料。他們通過在SN5W-30 潤滑油中添加G/Fe3O4復合材料做了大量實驗，四球摩擦實驗表明：G/Fe3O4復合材料作具有良好的摩擦學性能，使用油酸和KH570 共同修飾的效果比單獨使用油酸修飾明顯要好；沉淀穩(wěn)定性實驗表明：放置10d 后，添加采用油酸和KH570 共同修飾的復合材料鐵元素含量下降了31.1%，添加采用油酸修飾的復合材料鐵元素含量下降了39%，未添加復合材料的潤滑油鐵元素含量下降了48.3%。Jie 等[25]研究了Fe/PTFE 復合材料在摩擦過程中：當摩擦線速度增加時，材料的摩擦誘導磁感應強度會逐漸變小；當填料含量或載荷增加時，摩擦誘導磁感應強度逐漸增加；當載荷超過2.5MPa 后，摩擦誘導磁感應強度會略有下降。Fe/PTFE 復合材料的摩擦誘導磁化行為會對減小摩擦降低磨損產生有益的影響。

2.6 磨損性能

王亮亮等[26]采過澆注法在基體表面原位生成了TiC 顆粒增強鐵基表面梯度復合材料，結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，在真空狀態(tài)下使Fe-Ti-C 體系進行碳化反應原位合成TiC/Fe 基復合材料，在重載干滑動磨損條件下此TiC/Fe 基復合材料顯示出很好的耐磨性能。

3 總結

通過研究國內外進展，我們可以看出鐵基復合材料應用領域非常廣，復合材料的性能一般也比單體的性能好，因此鐵基復合材料的制備也多受科學家們的青睞，為彌補單體的不足，復合材料將會是科學研究中的重要領域。