[发明专利]二氧化硅微球表面负载硫化亚铁纳米晶及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种二氧化硅微球表面负载硫化亚铁纳米晶复合材料，包括二氧化硅微球载体和负载于二氧化硅微球载体上的硫化亚铁晶体；二氧化硅微球载体是实心球，粒径是100nm～500nm；硫化亚铁晶体在二氧化硅微球载体表面均匀分布，粒径是5nm～15nm。本发明提供了该复合材料的制备方法，包括：(1)制备二氧化硅微球；(2)对二氧化硅微球进行表面巯基改性；(3)在巯基改性的二氧化硅微球表面负载硫化亚铁晶体。本发明还提供了该复合材料的用途。本发明的复合材料反应活性更高，机械强度更大，稳定性更高。载体二氧化硅实心球和硫化亚铁的微观尺寸可控，硫化亚铁纳米晶在载体表面分散度可调，制备方法简单，成本低廉，在多个领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体地，本发明涉及一种二氧化硅微球表面负载硫化亚铁纳米晶及其制备方法与应用。

背景技术

纳米金属颗粒或者微晶颗粒与氧化物载体相互作用的大小和性质是决定催化活性和选择性的关键因素，因此研究金属(晶体)颗粒在氧化物载体上的多相催化和能量转化领域具有重要科学研究意义和应用价值。金属(晶体)分散在一个高比表面积的支撑载体上，金属(晶体)颗粒的分散度和尺寸效应将是决定负载型金属催化剂反应性和专一性的最关键因素之一。二氧化硅球由于其热稳定性好，比表面积大，机械强度大，可进行表面改性，所以，以二氧化硅球为载体的金属颗粒负载受到了广泛的关注。

通常，SiO₂负载纳米金属颗粒是通过沉积法或浸渍法来实现的。绝大部分均是通过模板剂合成SiO₂载体，纳米颗粒(多为金属)包覆与载体表面，形成蛋黄型核壳结构，但其催化效率偏低，工艺复杂。为了提高纳米材料的催化效率，纳米SiO₂表面负载纳米金属材料成为研究热点。

硫化亚铁(尤其是晶体)，由于其价态电子能级较高，硫的1s轨道电子和铁的3d电子轨道容易提供和接收相邻元素的电子转移，同时，硫化亚铁在自然界储量丰富，具有成本低等特点，因此，硫化亚铁纳米晶体在能量转换、能量储存以及分子催化等领域有着广泛的应用。但是，由于硫化亚铁具有磁性，并且纳米级材料容易自我团聚，降低了比表面积和非均相接触几率，形成电子自扰，从而降低了电子传输能力，导致催化活性和能量转化的效率下降，因此，提高硫化亚铁的分散程度，简化合成工艺，控制其晶体尺寸效应(50nm以下)一直是学术界的研究热点和应用推广的难易突破的瓶颈。

Ren等人合成出一种核壳结构的Fe/FeS@SiO₂颗粒(Catalysis Today,2019,327,2-9)，四溴双酚等有机物降解。虽然二氧化硅作为壳材料具有微孔结构，可以通过有机质与铁、硫化亚铁进行催化降解，但是，多种模板剂的使用、合成步骤的复杂，以及硫化亚铁的尺寸较大(100nm左右)，又是非晶结构，所以存在催化效率不高的缺点。

申请号为201910962440.8的中国发明专利申请公开了一种改性三维介孔二氧化硅负载硫化纳米零价铁的合成方法。该方法以三维介孔二氧化硅为壳，硫化纳米零价铁分散于其中。虽然该方法做到了硫化纳米零价铁的分散，但是其原料过于复杂，聚合物模板合成二氧化硅介孔壳，以及硼氢化钠还原铁的价态等步骤过于繁琐，又提高了成本，同时，存在非晶结构硫化纳米零价铁对催化的性能提升不足的缺陷。

因此，目前急需开发一种制备过程简便、无模板剂、成本低、硫化亚铁晶体尺寸小于50nm且分散度高的方法，不仅能够提高材料的电子转移效率、尺寸效应，提升分子催化、能量转移的能力，还能拓展该材料的应用领域，更具有学术研究价值。

发明内容

为了解决上述全部或部分问题，本发明目的在于提供一种二氧化硅微球表面负载硫化亚铁纳米晶及其制备方法与应用，以便提高材料的电子转移效率、尺寸效应，提升分子催化、能量转移的能力，并且拓展该材料的应用领域。