Fe3O4-SiO2-Polypyrrole纳米核壳颗粒的制备及其吸附性能

2010年第55卷第30期：2904~2909www.scichina.comcsb.scichina.com英文引用格式英文引用格式:ChengY,ZhaoZS,ZhangF,etal.PreparationofFe3O4-SiO2-Polypyrrolecore-shellnanoparticles,andtheiradsorptionofCr2O72−(inChi-nese).ChineseSciBull(ChineseVer),2010,55:2904—2909,doi:10.1360/972010-935论文《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESSFe3O4-SiO2-Polypyrrole纳米核壳颗粒的制备及其吸附性能程杨①,赵宗山②,张帆①,崔平①,宋伟杰①*①中国科学院宁波材料技术与工程研究所,宁波315201;②中国科学院生态环境研究中心,北京100085*联系人,E-mail:weijiesong@nimte.ac.cn2010-05-13收稿,2010-09-13接受国家自然科学基金(20975107,60806032)和中国科学院“百人计划”资助项目摘要制备了一种高磁响应的Fe3O4-SiO2-Polypyrrole纳米复合核壳颗粒,并成功应用于水相体系中重金属离子Cr2O72-的吸附研究.分别采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、红外光谱仪(FTIR)和振动样品磁强计(VSM)对产物的结构、形貌与磁性能进行了表征,结果揭示,核壳复合吸附材料由400nm大小的Fe3O4多晶球簇内核、100nm厚度的非晶SiO2壳层以及外层聚吡咯材料组成,其饱和磁化强度为43.5emu/g.通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)研究了其对重金属离子的吸附性能,按照Langmuir等温吸附模型计算的饱和吸附量为35.52mg/g.证明对于Cr2O72−离子,该核壳结构纳米材料是一种性能良好、可高效磁分离的吸附材料.关键词高效磁分离纳米核壳结构重铬酸根吸附目前含有重金属离子的污水已经对生态环境构成严重威胁,其中铬离子是重金属污染的主要元素之一.铬离子对人体的皮肤与黏膜有刺激性,严重威胁人体健康[1].Cr(Ⅵ)及Cr(Ⅲ)存在于电镀、印刷、冶金、鞣革等行业的工业废水中,被列为第一类污染元素.人们期望通过多种途径回收处理工业以及生活污水中的重金属离子,其目标是以此减少该类型元素对环境造成的负面影响[2].这些方法包括聚合物吸附[3,4]、生物大分子吸附[5~7]、活性炭吸附[8]、电化学吸附[9]等.其中导电聚合物在吸附重金属离子研究中表现出优异的性能[10],导电聚合物聚吡咯(poly-pyrrole)进行重金属离子吸附时具有如下特点,即通过其本征态中的孤对电子对重金属离子的给电子还原作用,在减少重金属离子氧化态的情况下,最终通过稳定的配位键作用实现重金属以近似元素的形式吸附于材料表面[11,12].尽管具有优异的重金属离子吸附特性,然而该类型吸附材料由于不方便回收,在应用时还受到很大程度的限制.目前,磁性纳米材料及其相关功能材料在重金属离子吸附、催化剂负载等方面的应用已有很多报道[13~17].磁性能负载材料在应用时可利用其磁分离特性进行分离,这一特征为实现材料的高效回收提供了可能.氧化铁作为一种重要的磁性原料,有关其纳米颗粒的研究与应用广受关注,氧化铁纳米颗粒在重离子吸附方面的研究是其中的一个热点.纳米磁赤铁矿用来吸附Cr(Ⅵ)[18];自组装的具有三维雪花状结构的铁氧化物用于含As和Cr的废水处理[19];碳纳米管/氧化铁磁性复合物用于去除水中的Pb(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)[20];壳聚糖包覆的Fe3O4纳米颗粒也可以用来处理含Cu(Ⅱ)的废水[21]等.2905论文由于纳米Fe3O4颗粒中的Fe2+非常容易被氧化,使其在空气中不能长期稳定存在,因此纳米Fe3O4的稳定性是合成时需要考虑的一个重要问题.对纳米Fe3O4进行表面包覆得到核壳结构的纳米复合材料可以提高其化学稳定性,目前有关Fe3O4磁性核壳纳米材料的合成与应用研究报道很多,常采用高分子化合物、生物大分子及硅氧化物对Fe3O4内核进行包覆,改善了Fe3O4的稳定性和分散性[22~24].本文基于Fe3O4合成了Fe3O4-SiO2-Polypyrrole纳米多层核壳颗粒.利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、振动样品磁强计(VSM)等方法研究了该核壳结构的特性,通过静态等温吸附实验和电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)研究了其吸附Cr2O72-的性能.基于其饱和吸附量35.52mg/g以及高饱和磁化强度43.5emu/g,该材料在治理含铬废水方面具备较