Fe3O4在催化劑領域的研究現狀及應用進展

王 暢

（湖北科技學院 核技術與化學生物學院，湖北咸寧 437000）

四氧化三鐵，化學式為Fe3O4，由于其具有磁性，因此又稱為磁鐵礦或磁性氧化鐵。Fe3O4中不僅含有二價鐵離子，還含有三價鐵離子，但不能單純的認為Fe3O4就是FeO 和Fe2O3的混合物，目前比較流行的觀點是Fe3O4是由FeO 和Fe2O3組成類似FeO·Fe2O3的化合物[1]。Fe3O4在自然界中具有豐富的儲量，且在常溫下就具備較強的亞磁鐵性和導電率，因此在各大領域得到廣泛應用，是一種非常具有應用潛力的材料。納米Fe3O4又稱Fe3O4磁性顆粒，其粒徑通常在5～100nm，該粒徑范圍屬于準零維，因此相比普通Fe3O4具有更多的特性。納米Fe3O4具有更大的比表面積，更好的磁性和導電性[2]，近年來許多研究表明其作為催化劑或催化劑載體用于催化領域具有廣闊的前景。

1 納米Fe3O4作為催化劑的研究進展

1.1 在氨合成催化中的應用

20世紀，氨合成工業長期受限于催化劑失活問題，導致其發展緩慢，經過眾多學者的大量研究論證，發現納米Fe3O4可用于催化氨合成反應，且其具備穩定性好，達成轉化率高等優點[3]。隨著研究的深入，逐漸發現了Fe1-xO 基催化劑體系，這一催化體系的發現也是我國氨合成工業進入了全新發展階段的標志。

1.2 過氧化氫分解催化中的應用

關于納米Fe3O4的催化作用研究起步較晚，直到2007年，才有研究表明納米Fe3O4具有催化過氧化氫分解的功能，這也是首次關于納米Fe3O4催化功能的報道[4]。隨后有研究將Fe3O4加入含過氧化物酶的底物中，并通過化學發光法檢測到有H2O2產生，這表明納米Fe3O4具備催化過氧化氫氧化的性能[5]，自此之后大量的研究開始探究其催化作用。

1.3 其他方面的催化應用

國外有學者將納米Fe3O4與沉積碳進行結合，形成具有特殊性質的納米包裹材料，并將其與葡萄糖水溶液進行水熱反應，最終得到了Fe3O4/C 包裹的納米材料，這表明納米Fe3O4能夠催化葡萄糖水熱反應[6]。

由于納米Fe3O4具有磁性，通過外加磁場的方式能夠很方便將其分離，正是基于這一特性，在催化反應結束后，能夠很容易將其與反應產物分離，這也是它相比其他催化劑的一大優點。

2 納米Fe3O4作為催化劑載體的研究進展

由于納米Fe3O4粒徑很小，具備較大的比表面積，通過對納米Fe3O4表面進行改性，增加其表面的粗糙度，再將各種催化劑負載于其表面即可得到結構特殊的催化劑復合材料。該種催化劑復合材料穩定性極高，適用于高溫或高壓條件的催化反應。

2.1 納米Fe3O4作為催化劑載體在污水處理中的應用

在污水處理行業，二氧化鈦是十分常用的一種催化劑，但催化反應結束后二氧化鈦回收較難，已經成為制約其應用的主要原因之一。有學者將二氧化鈦負載于納米Fe3O4制備出了復合催化劑材料，在處理完廢水后，只需外加磁場就能很方便將其分離，然后繼續用于下一批污水的處理，大大提高了復合催化劑的回收率和再利用率，復合催化劑的分離工藝也得到簡化[7]。其他研究將尿刊酸和銅利用水熱法負載于納米Fe3O4上，得到復合納米催化劑，發現其在工業染料行業污水處理中具有不錯的催化活性，且循環利用率高，綜合成本低廉[8]，具有十分廣闊的應用前景。

2.2 納米Fe3O4作為催化劑載體在有機合成中的應用

2.2.1 負載金屬催化劑

近年來，納米Fe3O4負載金屬的催化劑在有機合成中的應用逐漸得到認可。有研究將金屬釕負載于納米Fe3O4上應用于磺胺類藥物的合成中，發現在催化反應中對于碳氮鍵形成具有較高的選擇性，副產物少，且生成物與催化劑易分離，可進行回收再利用，該種有機合成方法十分環保[9]。

其他研究還表明，將納米Fe3O4先與各種連接體或交聯劑結合，再負載金屬應用于有機合成具有明顯的優勢。國外學者現將多巴胺與納米Fe3O4結合，然后負載金屬鈀得到復合納米催化劑，該催化劑可用于芳香族疊氮化合物和硝基化合物的氫化[10]。

2.2.2 負載有機小分子催化劑

常規催化劑在有機合成催化中的用量通常較大，此外還存在催化劑與生成物難分離的問題，基于這一難題，有研究提出將有機小分子催化劑負載于惰性載體上，在反應結束后通過過濾或離心等分離方法將催化劑進行分離。而隨著納米Fe3O4的廣泛應用，由于其優良的特性，已經逐漸取代惰性載體作為有機小分子催化劑載體。

有學者將DMAP（4-N-N-二烷基氨基吡啶）負載于納米Fe3O4上得到復合有機小分子催化劑，經過測試發現，只需常規催化劑用量的一半即可獲得較高的催化活性，而且催化反應結束后，只需簡單過濾就能分離催化劑，再經過真空干燥就能再次使用[11]。另外的研究將Cys（L-半胱氨酸）負載于納米Fe3O4上用于催化β-氨基羰基化合物的合成，結果表明，該復合催化劑在循環使用9次后其催化活性仍未出現明顯下降，基于其高催化活性和循環利用率，以及低綜合成本和環保性，應用前景十分廣闊[12]。

3 結束語

納米Fe3O4不僅可作為催化劑，還能作為其他金屬催化劑、小分子有機催化劑等的載體。由于其相比傳統催化劑具備易分離、循環利用率高和綜合成本低等優點，目前已經逐漸應用于各類微反應器和連續化學合成等領域的催化反應中。