[发明专利]一种氨基酸改性纳米零价铁材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氨基酸改性纳米零价铁材料和制备方法，属于材料及环境交叉技术领域。该材料中氨基酸吸附在纳米零价铁表面以实现纳米零价铁改性，从而增强纳米零价铁的分散和界面相互作用；与所述氨基酸中心碳原子连接的羧基上的碳原子、氧原子以及氨基上的氢原子与纳米零价铁通过静电相互作用连接，并形成稳定结构。优选地，氨基酸侧链上的氧原子和/或硫原子与纳米零价铁通过静电相互作用连接。利用氨基酸具有的氨基和羧基等特定官能团及多种支链来增强纳米颗粒在反应液中的分散和界面相互作用。该改性材料具有较高的催化反应活性及吸附性能，且制备方法简单，原料易得，对环境友好，仪器设备要求低，具有较大的应用前景。

技术领域

本发明属于材料及环境交叉技术领域，更具体地，涉及一种氨基酸改性纳米零价铁材料和制备方法。

背景技术

随着研究的进展，人们发现均相芬顿反应存在适用pH范围较窄、产生大量化学污泥等缺点，于是非均相类芬顿反应逐渐成为研究热点。通过探索创新制备出效果较好的非均相催化剂，进而研究非均相类芬顿体系对废物的降解处理效果，确定反应的影响因素，找到最佳反应条件，以达到改善传统芬顿法的目的。非均相芬顿和类芬顿催化剂近年来受到广泛关注，迄今为止，研究主要集中在三类材料上：(1)铁氧系列化合物，如α-Fe₂O₃、α-FeOOH、Fe₃O₄和Fe⁰/Fe₃O₄等；(2)铁负载材料，其中电解质膜、聚乙烯膜、粉煤灰、聚电解质微球、碳、树脂、二氧化硅、粘土和Al₂O₃被用作固定铁的固体基质；(3)天然含铁材料，如褐铁矿和针铁矿等。另有一些双金属复合材料的研究，如nZVI、n-Ni/Fe、n-Pd/Fe等铁基纳米粒子。这些非均相类芬顿催化剂被证明可用于在更宽的适用酸碱度范围内处理水中的各种有机污染物，然而其中许多没有显示出良好的催化活性。通过引入特定官能团的表面功能化材料为各种可能的应用打开了大门，因此，使用官能团对纳米粒子进行表面改性引起了人们的兴趣，它可增强纳米颗粒的分散和界面相互作用，还可为纳米粒子提供特定的识别和结合能力。

由于氨基酸是天然存在、廉价的、对环境友好的分子，由至少一个氨基(-NH₂)和一个羧基(-COOH)组成的氨基酸可改性纳米粒子材料的表面，氨基酸的氨基和羧基官能团可以作为与纳米材料相互作用的媒介，其具有两性性质、高稳定性和良好的生物相容性。生物分子显示出高水平的分子识别能力，其含有的官能团如氨基、羧基、硫醇和羟基与给定无机表面相互作用的特异性在许多应用中起着关键作用，例如生物成核、催化、医学诊断、医疗植入物和生物传感器等。氨基酸是肽和蛋白质的基本组成部分，是生物系统中反映复杂生物分子化学特性的两个主要结构单元，它们与不同纳米材料的相互作用正作为一类新材料被广泛探索。在许多理论和实验研究中已经报道了氨基酸在纳米粒子上的吸附，由于羧基官能团能参与金属表面的结合，氨基酸和金属表面之间的相互作用也成为可能，相互作用的强度主要取决于表面性质，但也可能受到氨基酸的类型的影响。自然界的生物系统中包含20种氨基酸，α-碳上含有的不同侧链通常可分为非极性侧链、极性侧链和带电侧链三种类型，由于不同的侧链基团，每个氨基酸具有不同的等电点，具有独特的净表面电荷。不同性质的纳米金属颗粒的表面官能化在催化剂应用中也很重要，从而提供开发这种改性纳米金属材料的进一步可能性。

发明内容

本发明针对现有类芬顿反应催化剂在有机物氧化降解过程中由于催化剂与水相和有机相的界面相互作用受限而导致的催化性能下降现象，提出了一种氨基酸改性纳米零价铁材料及其制备方法，该材料中氨基酸吸附在纳米零价铁表面以实现纳米零价铁改性，从而增强纳米零价铁的分散和界面相互作用。本发明中的氨基酸改性纳米零价铁材料具有更好的亲水性及氧化活性，作为非均相催化剂用于类芬顿反应降解水中有机物具有良好催化性能。