磁铁矿微结构与形貌对其选择性催化氧化丙烯性能的制约机制研究

Due to the high surface redox activity and the strong electron transport capability, the application of magnetite as heterogeneous catalysts in organic synthesis has received the widespread attention. It has been considered as a promising natural mineral material. However, the reasearch about the impact on the selective catalytic oxidation activity and its mechanism by magnetite microstructure characteristics, especially the micromorphology, isomorphism substitution and oxygen species properties is very rare. Therefore, the substituted magnetites with different microstructure, including nanowires, nanorods and nanoballs etc., are studied in this research. The microstructure characteristics and surface physico-chemistry properties of synthetic magnetite are characterized by spectroscopy and micro-zone technology. The formation mechanism and regulatory factors of these magnetite’s micromorphology properties are also investigated. The emphasis of this research is to evaluate the effects of micromorphology, isomorphism substitution and surface physico-chemistry properties on the selective catalytic oxidation performance of magnetite. In addition, the microscopic mechanism is discussed. The obtained results will be in favor of the further understanding of the microstructure and micromorphology of magnetite group minerals, and provide the key theory and experimental basis for orientated regulating the morphology of magnetite. Furthermore, this proposal may establish a theoretical foundation for exploring the application of magnetite in organic synthesis, which shows important scientific significance and application prospect.

由于磁铁矿表面氧化还原活性高，电子输送能力强，在异相催化有机合成方面的应用研究受到了广泛关注，被认为是一类颇具应用前景的天然矿物材料。然而，关于磁铁矿的微结构，尤其是微观形貌特征、类质同像置换作用及其氧物种特性对其选择催化氧化活性的影响及作用机制问题鲜有报道。因此，本项目以不同微结构类质同像置换磁铁矿（包括纳米线、纳米棒及纳米球等）为研究对象，采用谱学和微区技术研究磁铁矿的微结构特征及其表面物理化学性质，考察磁铁矿微观形貌特征的形成机制及调控因素，重点探讨微观形貌、类质同像置换作用及表面物理化学性质对磁铁矿选择催化氧化性能的影响和微观作用机制。项目所获成果有望加深对磁铁矿族矿物微结构和微形貌的认识，为实现定向调控磁铁矿的形貌结构提供理论和实验依据，为开拓磁铁矿在有机合成工艺上的应用奠定理论基础，具有重要的科学意义和实际应用价值。

作为地表系统中的重要铁氧化物，磁铁矿具有分布广泛、结构稳定、表面催化活性强和环境相容性好等优点，在催化领域被认为是一类颇具应用前景的天然矿物材料。本项目以磁铁矿作为异相催化剂用于高级氧化技术的研究取得了重要进展：（1）本研究开发了一种经济、快速、高效的途径可控合成具有良好结晶度和均一性的五种不同微形貌和结构（包括纳米球、纳米薄片、纳米八面体、纳米立方、纳米棒）的磁铁矿样品；（2）采用现代谱学、微束-微区技术研究磁铁矿的微形貌和精细结构特征，并从磁铁矿微观形貌和精细结构的角度出发，探讨磁铁矿微形貌与结构对表面催化降解性能的影响和制约机制；（3）探究了典型过渡金属离子Cr和Cu的类质同像置换作用及其不同微形貌特征对磁铁矿微形貌与结构的影响及其在活化过硫酸盐高级氧化技术中的应用，并考察了反应过程中的生物毒性，为评价氯咪巴唑在水体环境中迁移、转化过程造成的影响提供重要的毒理数据。（4）通过简易超声法以及原位还原法成功制备出了负载型可再生Cu-APTES@Fe3O4颗粒，并通过对4-硝基苯酚的还原反应探讨了复合材料的催化还原性能。（5）使用LDI-TOF作为分析仪器，使用具有不同形貌的Fe3O4纳米颗粒作为基质辅助分析六种不同分子量的内源代谢物质，包括丝氨酸、葡萄糖、腺苷、二十烷酸、鞘胺醇和十七烷酸甘油三酯。研究结果表明，该方法可有效用于生物体液和斑马鱼组织切片样品内源性代谢物的快速分析和定位。所获结果为更深入地了解环境污染物毒性中有意义的生物信息提供了一个有前途的工具。 . 通过上述研究，不仅有利于我们加深对磁铁矿微结构和微形貌的认识，为实现定向调控纳米磁铁矿的形貌结构提供理论和实验依据，同时，有助于我们深刻理解和掌握纳米磁铁矿的表面催化反应特性，并探明将特定微形貌和结构的纳米磁铁矿应用于污染治理与环境修复高级氧化技术中的潜能。