基于金属氧化物催化微马达的制备及其在环境方面的应用

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人造微纳米马达一般可以通过化学燃料或者外界刺激如光、超声、磁场等能量所驱动,能够有效地将不同的能量转化为自主运动的机械能,并且目前在诸多领域都有着广泛的应用,如环境修复、负载药物、传感以及细菌分离等。基于过氧化氢为燃料的马达应用最为广泛,但其大部分都以贵金属(Pt、Au等)为催化剂,从而产生自主推进。不仅成本昂贵,且针对于实际应用时极大的限制了其批量生产的需要,在一定程度上限制了广泛的商业化应用。其次,目前马达存在一些挑战,如制备工艺繁琐,催化效率低、生物相容性差和对环境不友好等。最后,马达运动可控成为研究的重要方向,无论在生物定向载药,还是环境修复方面,都对马达的磁性性能有着一定的要求。所以,探索制备工艺简便、对环境友好以及低成本的马达成为研究的热点,为之后的实际应用打下基础。在此,针对以上需要解决的问题,我们展开了两个主要的工作:1、通过对八面体的普鲁士蓝(PB)进行不同温度的退火后得到了环境友好的氧化铁(Fe2O3)微马达,并将Fe2O3微马达应用于吸附有机污染物来达到污水处理的目的。Fe2O3可有效催化过氧化氢(H2O2)产生O2,从而形成推动力使得Fe2O3微马达能持续地运动。通过X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)分析了PB和Fe2O3微马达的成分,根据综合分析,说明确实成功合成了马达。PB和Fe2O3微马达的微观形貌通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)来表征,为了确定Fe和O元素均匀分布在微马达的表面,我们通过元素分布图(EDS)来说明。通过X射线光电子能谱(XPS)对PB氧化前后铁离子的价态进行了分析。值得一提的是,微马达在7%的H2O2溶液中寿命可长达2小时。在吸附甲基蓝的实验中,Fe2O3微马达可在5分钟内有效吸附污染物,并由于-Fe2O3的存在,微马达在吸附污染物后能通过外界磁场进行回收,避免了对环境的二次污染。2、通过水热法制备了Fe-MOF,再通过对Fe-MOF进行退火处理后得到了Fe-MOF衍生物碳基微马达。通过简单的碳化处理后,马达通过氧化铁对过氧化氢的催化作用产生氧气,使其具有优异的催化性能,并为马达的自主运动提供动力。此外,马达还具有磁性,不需要任何表面修饰,即可通过外界磁场对马达的运动方向实现精准控制。通过SEM和TEM对Fe-MOF衍生物碳基微马达的形貌进行了表征,通过XRD、拉曼和EDX对Fe-MOF碳化前后的成分进行了分析。通过显微镜来观察微马达在不同的过氧化氢浓度下的运动情况,其在10%H2O2溶液中,速度可达82μm s-1。引入外界磁场后,探究了磁场对微马达运动的影响。
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