[发明专利]一种高分散的超小的零价铁纳米簇的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种高分散的超小的零价铁纳米簇的制备方法及其应用，属于环境纳米材料制备以及有机污染物治理技术领域。本发明的技术方案要点为：首先在表面活性剂CTAB胶束中包封Fe³⁺，再通过在碱性条件下控制硫脲释放S^2‑，形成FeS纳米簇作为中间体，然后将FeS纳米簇经NaBH₄还原制得高分散的粒径小于1nm的零价铁纳米簇。本发明还公开了该零价铁纳米簇作为催化剂在NaBH₄存在下催化还原类有机反应中的应用。本发明中零价铁纳米簇的制备过程条件温和、操作简便且易于实现，制得的零价铁纳米簇对水体中存在的对硝基苯酚具有非常显著的催化还原性能，而且可以在NaBH₄存在下重复循环使用并保持较高的催化活性。

技术领域

本发明属于环境纳米材料制备以及有机污染物治理技术领域，具体涉及一种高分散的超小的零价铁纳米簇的制备方法及其应用。

背景技术

近年来，纳米零价铁因其还原活性高、环保和经济成本低等优点而受到科研工作者的广泛关注，纳米零价铁颗粒经常应用于废水处理和地下水修复。大量研究表明，纳米零价铁是一种有效的水处理材料，可用于去除各种污染物，如亚硝酸盐、硒酸盐、抗生素、芳香卤化物和重金属污染物。然而，与其它纳米材料类似，纳米零价铁粒子不仅在强磁力和范德华力的驱动下聚集成较大尺寸的颗粒，而且在空气中也很容易被氧化，这些缺点都将导致其活性、耐久性和效率急剧下降。为了解决这些问题，很多文献报道中提出了各种各样的方法制备稳定且分散的纳米零价铁颗粒（粒径20～100nm），例如：用表面活性剂、聚电解质或天然生物聚合物表面包覆修饰纳米零价铁或者将纳米零价铁颗粒负载在无机或有机载体上。常用的包覆和负载材料包括羧甲基纤维素、聚丙烯酸/聚偏氟乙烯、淀粉、共聚物、膨润土、碳纳米管、共价有机聚合物、氮化硼、氢氧化镁和二氧化硅等，以上的修饰材料均能抑制纳米零价铁颗粒的聚集从而提高其对污染物的去除性能。然而，目前报道的各种修饰材料不能控制纳米零价铁的晶体生长而制备出超小的金属纳米簇。超细小的金属纳米簇的反应活性和催化能力相比普通纳米级的颗粒有大幅度的提高，已经有人制备出粒径小于1nm的高分散贵金属纳米粒子，如钯和金，然而，由于纳米零价铁颗粒具有较强的范德华力和磁性吸引力，合成具有极小粒径的零价铁纳米簇，同时保持其表面活性和避免团聚是一个挑战性难题。此外，即使在缺氧环境下，纳米零价铁颗粒在去除污染物后也容易被氧化，这使得纳米零价铁的回收和循环非常困难。

到目前为止，通过检索，从我们所掌握的资料中还没有发现有关零价铁纳米簇的制备及其应用的相关报道。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种条件温和、操作简便且易于实现的高分散的超小的零价铁纳米簇的制备方法，该方法利用胶束辅助在温和的条件下首次制备出超小粒径的零价铁纳米簇，制得的零价铁纳米簇高度分散，且其粒径小于1nm。

本发明解决的另一个技术问题是提供了上述方法制得的零价铁纳米簇作为催化剂在硼氢化钠（NaBH₄）存在下催化还原对硝基苯酚制备对氨基苯酚中的应用，该零价铁纳米簇对水体中存在的对硝基苯酚具有非常显著的催化还原性能，而且可以在NaBH₄存在下重复循环使用并保持较高的催化活性。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种高分散的超小的零价铁纳米簇的制备方法，其特征在于具体过程为：首先在表面活性剂CTAB胶束中包封Fe³⁺，再通过在碱性条件下控制硫脲释放S^2-，形成FeS纳米簇作为中间体，然后将FeS纳米簇经NaBH₄还原制得高分散的粒径小于1nm的零价铁纳米簇。

本发明所述的高分散的超小的零价铁纳米簇的制备方法，其特征在于具体步骤为：