Advanced Materials:具有超强吸附性能的低自旋态纳米氧化铁

过渡金属及其化合物是应用最广泛的吸附和催化材料,近年来被发现许多奇异的性质并引起了人们极大的研究兴趣。其中3d过渡周期元素化合物的电子结构与表面吸附作用力息息相关,特别是与含氧物种直接吸附成键的eg轨道电子在很大程度上影响表面吸附作用力,而其填充度与化合价、晶体结构、配位环境、自旋状态等紧密相关。但调控过渡金属元素自旋态的手段及机理尚不明确,如果能够有效调控过渡金属化合物的自旋态,这些材料的表面吸附能力就可能得到提高,成为高效吸附材料,并能其他为新型功能材料的设计合成提供新思路。

天津大学化工学院邹吉军课题组针利用α-氧化铁为模型进行了研究:通过在MCM-41孔道预沉积纳米二氧化钛构筑三维网状结构,再将氧化铁颗粒填充到纳米网孔中,实现了高负载量(36.7%)量子尺寸(3~4nm)氧化铁的合成,通过实验表征和理论计算证明氧化硅分子筛与纳米氧化铁之间的强相互作用能调节氧化铁中三价铁的自旋态,从而实现了本征的高自旋态向低自旋转变。不同于普通高自旋状态的氧化铁,自旋态氧化铁的键长和晶面结构也随之发生变化,使得其eg轨道电子填充度明显降低,而且通过向载体的电荷传递形成高度正电荷极化的表面,从而对水体中的阴离子污染物形成大容量、快速吸附脱除。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201905988)上。

由于廉价的成本和稳定的化学性质,氧化铁材料被广泛的应用于吸附材料和催化反应中,这些应用都跟氧化铁与吸附质/反应物之间的相互作用有关,相信增强氧化铁与吸附质之间的相互作用能有效提高它们的性能。这种载体强作用调控自旋态的方式相信可以扩展到其它各种负载型的过渡金属化合物甚至单原子材料中,从而为研究和提高这些纳米材料的性能提供新方法。