Fe2O3光催化材料研究進展

江佳++王齊耀

摘要：納米Fe2O3是一種理想的功能材料，具有比較獨特的物理和化學性能。當氧化鐵顆粒尺寸小到納米級時，其表面原子數、比表面積和表面能等均隨粒徑的減小而急劇增加，從而表現出小尺寸效應、量子尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應等特點，具有良好的光學性質、磁性、催化特性等，在顏料、催化、磁性、傳感器、場發射、電池等領域得到很廣泛的應用。

關鍵詞：Fe2O3光電化學性能

1.Fe2O3的基本性能和應用領域

1.1Fe2O3的基本性能

Fe2O3按其結構和晶型可分Fe2O3 （αβγ及δ型）幾類[1]。在自然界中，最為常見的為α- Fe2O3和γ- Fe2O3，其他類型的氧化鐵主要通過人工合成得。在所有類型的氧化鐵中，α- Fe2O3的熱穩定性最高，是所有含鐵化合物熱力學轉變的最終產物。

α- Fe2O3具有優良的物理性質和化學性能。它的相對分子質量為 159.67，形狀一般為紅棕色粉末。密度 5.26g/cm3，熔點較高為 1565℃，即在 1565℃時才能分解；氧化鐵一般是以礦物質的形式存在比如赤鐵礦、赭石。

1.2Fe2O3的應用領域

Fe2O3具有優良的光學、電學、磁學和力學等性質，在顏料、涂料、化工、電子及現代科技等領域具有廣泛的用途。同時，納米科技與技術的急速發展使Fe2O3進入了一個嶄新的發展領域。由于納米氧化鐵粉體的納米效應，使其在光學、磁學、電學、模量等方面的性能發生了很大的優化。相比于非納米氧化鐵的粉體相比，納米氧化鐵具有更加良好的耐候性、耐光性、磁性和對紫外線具有良好的吸收功能。

2.納米Fe2O3制備方法

2.1溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法就是用含高化學活性組分的化合物作前驅體，在液相下將這些原料均勻混合，并進行水解、縮合化學反應，在溶液中形成穩定的透明溶膠體系，溶膠經陳化膠粒間緩慢聚合，形成三維網絡結構的凝膠，凝膠網絡間充滿了失去流動性的溶劑，形成凝膠。凝膠經過干燥、燒結固化制備出分子乃至納米亞結構的材料。

Woo[2]等通過使用鐵鹽和油酸溶液，采用溶膠-凝膠法合成了納米粒狀的α- Fe2O3粒子，并可通過控制水與油酸的比例來來控制粒子的大小。Dong[3]等則使用環氧乙烷和氯化鐵作為初始材料，采用溶膠-凝膠法合成了小粒子的α- Fe2O3。Xu[4]等也同樣采用溶膠-凝膠法合成了α- Fe2O3/SiO2負載催化劑，所得催化劑中α- Fe2O3粒子變小，活性得到顯著的提高。

2.2直接沉淀法

直接沉淀法是制備超細微粒廣泛采用的一種方法，其原理是在金屬鹽溶液中加入沉淀劑，在一定條件下生成沉淀析出，沉淀經洗滌、熱分解等處理工藝后得到超細產物。直接沉淀法操作簡單易行，對設備技術要求不高，不易引入雜質，產品純度很高，有良好的化學計量性，成本較低。缺點是洗滌原溶液中的陰離子較難，得到的粒子粒經分布較寬，分散性較差。

通常，可通過在溶液中直接沉淀形成（經基）氧化鐵，后在在一定溫度下加熱，便可生成α- Fe2O3可分為酸法與減法兩種。酸法指的是在酸性條件下鐵離子水解形成聚合物，后在較低的溫度下老化形成。而堿法則指的是在械性條件下水解為Fe（OH）3沉淀，后經高溫處理，脫水得到。

劉海峰[5]等采用直接沉淀法制備氧化鐵納米體，得了液相均勻沉淀法制備氧化鐵納米粉體的最佳工藝。直接沉淀法的優點是可以改進水熱法合成粉體中存在的反應物不均勻，反應速率不可控等缺點，又克服了溶膠-凝膠法使用的金屬醇鹽成本高的缺點。

2.3噴霧熱分解法

噴霧熱分解技術指的是利用高溫爐將混合物料的溶液（如金屬鹽溶液）霧化，使其在瞬間發生熱分解、反應、合成或鍛燒，獲得超細粉體及薄膜的氣溶膠技術，因其顆粒可控、成分均勻及純度較高而得到愈來愈廣的應用。

Gratzel[6]等采用超聲噴霧熱分解技術（USP）合成了介孔α- Fe2O3薄膜，此薄膜具有很好的可見光活性。Akl[7]等使用噴霧熱分解技術制得了不同結晶度的α- Fe2O3薄膜并可通過控制溫度和沉積時間控制α- Fe2O3薄膜的結晶。Ouertani[8]等同樣采用此方法將氯化鐵水溶液于300℃條件下瞬間霧化，在玻璃載體上經過熱分解生成了無定形的紅色薄膜，后經真空高溫煅燒后得到較高結晶度的α- Fe2O3，而最佳的緞燒溫度為350℃。

3.Fe2O3的光催化性能

3.1光催化降解污染物

許宜銘等提出近三十年的研究表明，TiO2作為光催化劑最為合適。但是，目前的光催化效率還較低。相比之下，氧化鐵作為環保光催化劑的研究則相對較少.由于氧化鐵能吸收可見光，又廣泛存在于自然界，開展氧化鐵光催化研究十分必要。他們在實驗中發現，Fe2O3的結晶度越高，光致降解桔紅 II 的活性就越高；催化劑比表面越大，桔紅 II 吸附越多，光反應速率也越快，符合半導體光催化的一般規律。

3.2光分解水制氫或氧

光解水的原理為：光輻射在半導體上，當輻射的能量大于或相當于半導體的禁帶寬度時，半導體內電子受激發從價帶躍遷到導帶，而空穴則留在價帶，使電子和空穴發生分離，然后分別在半導體的不同位置將水還原成氫氣或者將水氧化成氧氣。

鄧久軍[10]提到納米α- Fe2O3無毒，是一種環境友好型的光解水材料。納米α- Fe2O3理論上能夠達到的最大光電化學分解水的效率為12.9%，工業應用時的效率為10%。且納米α- Fe2O3儲存含量大，價格也相對便宜。

現在已有理論的計算表明，在標準太陽光（AM1.5，100 mW/cm2）下，納米α- Fe2O3所能產生的最大光生電流密度為12.6 mA/cm2，起始電位 + 0.4V vs. RHE。

3.3光催化還原CO2

光催化還原CO2基于模擬植物的光合作用[12]，綠色植物光合作用固定CO2物質合成的出發點，它既是人類賴以生存的基礎，同時也為人工光合成還原CO2提供了借鑒。由于CO2無法吸收在200～900nm的可見光和紫外光，人工光合成還原CO2需要借助于合適的光化學增感劑才能完成。自從20世紀70年代日本科學家發現TiO2光催化現象以來，大量的研究表明，半導體材料，如金屬氧化物和硫化物等都具有光催化活性。半導體光催化反應是以光能為驅動力的氧化-還原過程，其電子的激發與傳遞過程同光合作用過程極為相似。

4.結語

Fe2O3作為地球上含量極為豐富的物質，其良好的物理和化學性能使其應用方面非常廣泛，更是在光催化領域中被廣泛應用于于環境污染物處理和光解水制氫、制氧等領域。雖然對氧化鐵在光催化方面的研究有了很大的進展，但是與傳統的催化材料相比，氧化鐵的光催化活性仍然較低。所以，我們仍希望通過不斷的研究，通過各種方式，提高氧化鐵的催化效率，最后能在這方面有所突破。