基于重金属离子吸附的亚铃型Au-Fe3O4纳米粒子的多功能化研究

Magnetic nanomaterials have unique advantages in heavy metal ions absorption because of their large specific surface area and easy magnetic manipulation. The former brings a high absorption capacity of heavy metal ions and the latter provides a fast capture for the isolation. But, in practical application, it is very difficult to realize both of the above-mentioned advantages. This project aims at solving this problem by the fabrication of a new heavy metal ion absorbent based on multifunctionalization of dumbbell-like Au-Fe3O4 nanoparticles (NPs), which can be collected by magnet rapidly with a high absorption capacity. The dumbbell-like compound NPs, with thermal magnetic dual responsive properties, is realized by magnetic responsive Fe3O4 NPs connected with Au NPs capped by thermal responsive polymers. The final dumbbell-like NPs can reversibly aggregate and redisperse in water near the low critical solution temperature (LCST) of thermal responsive polymers. The heavy metal ion absorption capacity is achieved by the capping polymers containing carboxyl or amino groups on the surface of Fe3O4 NPs. This project will develop a facile process for the preparation of heavy metal ion absorption oriented multifunctional Au-Fe3O4 NPs. The particle size matching between Au and Fe3O4, molecular weight of polymer and polymer capping content will be tuned to investigate their effects on the thermal and magnetic responsive properties and removal efficiency of heavy metal ions, which will lead to an optimized property for the heavy metal ions removal. The significance of this project is to provide a new route to fabricate a new type of materials with both high absorption capacity and fast magnetic capture not only for effective removal of heavy metal ions but also suitable for other applications.

磁性纳米材料比表面积大且可磁操控，在重金属离子吸附中有其独特的优势，但是实际应用中仍然存在难以兼顾高吸附量和快速磁富集的问题。针对这一问题，本研究拟结合哑铃型Au-Fe3O4纳米粒子的多功能化，构建一种能兼顾高吸附量和快速磁富集的新型重金属离子吸附载体。通过在金粒子表面包覆温敏性高分子，在Fe3O4粒子表面修饰易与重金属离子配位的高分子，得到在变温过程中能可逆分散/团聚和易磁富集的热、磁双响应的新材料，该材料能高效吸附重金属离子并快速磁富集，解吸附后可循环利用。发展一种简单的基于重金属离子吸附应用的多功能化哑铃型Au-Fe3O4纳米粒子的合成路线，研究Au和Fe3O4的粒径大小匹配、表面高分子的分子量和包覆密度对热、磁响应和重金属吸附等性能的影响，实现多功能的综合优化。研究意义在于为兼顾高吸附量和快速磁富集的新型重金属离子吸附载体的构建提供新的思路，为新材料在其他领域的应用提供参考。

重金属污染已造成严重的环境问题，如何有效去除水体里的重金属离子已成为人类共同关注的问题。纳米材料具有大的比表面积，已被广泛应用于重金属离子的去除。在众多的纳米材料中，磁性纳米材料比表面积大且可磁操控，在重金属离子除去中有其独特的优势，但是实际应用中仍然存在难以兼顾高吸附量和快速磁富集的问题。本项目针对这一问题，展开了新的重金属去除剂的设计与研究，分别合成了表面带负电荷、粒径4-8 nm的Fe3O4纳米晶和粒径60-300 nm的超顺磁Fe3O4纳米团簇，以铜和镍两种金属离子为代表，初步研究了在外磁铁作用下快速絮凝富集重金属的主要影响因素。本项目重点研究了针对重金属吸附的超顺磁纳米粒子的合成，分别采用聚丙烯酸、嵌段共聚物对Fe3O4纳米粒子进行表面改性，并全面对纳米粒子的粒径、晶相、表面成分和含量、水分散稳定性、磁性和弛豫等进行了表征。聚丙烯酸表面改性的Fe3O4纳米粒子可以用于快速絮凝并磁富集重金属离子，铜离子的絮凝量大20 g/gFe3O4，去除率达99.8%，可望为纳米材料在重金属离子的去除提供新的思路。聚乙二醇-甲基丙烯酸嵌段共聚物对Fe3O4纳米粒子(5-9 nm)进行改性，所得纳米粒子（MDBC/SNP）具有高的纵向弛豫率，含聚多巴胺的嵌段共聚物包覆的Fe3O4纳米粒子(2 nm)聚低的纵横向弛豫率比值（r2/r1=1.5），上述两种纳米粒子在生理条件下均能稳定分散，体外实验证明，可以作为磁共振T1造影剂，该研究为新型磁共振T1造影剂的设计合成提供了新思路。