铜掺杂Fe3O4纳米复合材料的合成及其在细菌消毒中的应用研究

本综述系统阐述了铜掺杂四氧化三铁（Cu-Fe3O4）纳米复合材料的溶胶-水热合成法及其在类芬顿（Fenton-like）反应中的高效抗菌性能。研究通过X射线衍射（XRD）、电子顺磁共振（EPR）等技术证实，Cu2+的引入显著加速了Fe2+/Fe3+循环，提升过氧化氢（H2O2）利用率，产生的羟基自由基（•OH）和超氧自由基（•OOH）可有效灭活大肠杆菌（E. coli），且铜离子溶出浓度（0.09-0.11 mg/L）符合饮用水安全标准（GB5749-2006），为绿色水处理技术提供新思路。

　　

材料与方法

采用溶胶-水热法合成铜掺杂Fe₃O₄纳米复合材料，以FeCl₃·6H₂O和CuCl₂·2H₂O为前驱体，通过乙醇-乙二醇混合溶剂体系在200°C反应10小时。材料经XRD证实具有尖晶石结构，且铜掺杂导致主衍射峰左移（图1），透射电镜（TEM）显示其粒径约10 nm（图2）。X射线光电子能谱（XPS）检测到Cu 2p_3/2（933.63 eV）和Cu 2p_1/2（953.31 eV）特征峰（图3），证实铜以Cu²⁺形式存在。

抗菌性能与机制

在pH=6、H₂O₂浓度10 mM条件下，10%铜掺杂样品对2×10⁷ CFU/mL大肠杆菌的灭活率达100%（120分钟），优于纯Fe₃O₄（图5）。EPR实验捕获到^•OH和^•OOH信号（图7），证实其通过破坏细菌细胞膜/壁实现杀菌。铜离子通过Cu⁺/Cu²⁺与Fe²⁺/Fe³⁺的协同氧化还原循环（方程式1-3），将H₂O₂分解效率提升3倍。

安全性与应用潜力

电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）显示铜离子溶出量仅为0.1 mg/L（图8），远低于国标限值（1.0 mg/L）。材料饱和磁化强度达65.5 emu/g（图4），可磁分离回收并重复使用3次后仍保持94.8%杀菌率（图6）。该研究为开发pH适应性广（5-8）、环境友好的水处理催化剂提供了实验依据。

结论

铜掺杂Fe₃O₄纳米复合材料通过增强Fe³⁺/Fe²⁺循环和活性氧生成，实现了高效、安全的细菌灭活，其超顺磁特性（16.3 emu/g即可磁分离）和低金属溶出风险，使其在饮用水消毒领域具有重要应用价值。