Характеристика и свойства наночастиц металлического железа: спектроскопия, электрохимия и кинетика

Согласно опубликованным данным, наноразмерное нульвалентное железо (Fe0) обладает более высокой реакционной способностью, чем микроразмерные частицы Fe0; предполагается, что повышенная реакционная способность нано-Fe0 может обеспечивать преимущества при очистке грунтовых вод и в других экологических приложениях. Однако большинство этих сообщений носит предварительный характер, поскольку множество потенциально значимых и часто трудно контролируемых переменных, связанных с материалом или процессом, остаются либо неконтролируемыми, либо невыясненными. Для лучшего понимания реакционной способности нано-Fe0 мы использовали комплекс взаимодополняющих методов для характеристики двух широко исследуемых препаратов нано-Fe0: одного, синтезированного термическим восстановлением гётита водородом (Fe(H2)), и другого, полученного восстановительным осаждением боргидридом (Fe(BH)). Fe(H2) представляет собой двухфазный материал, состоящий из частиц α-Fe0 размером 40 нм, кристаллы которых приблизительно соответствуют размеру частиц, и частиц Fe3O4 аналогичного или большего размера, содержащих восстановленную серу; Fe(BH) состоит преимущественно из металлических частиц Fe размером 20–80 нм, представляющих собой агрегаты зёрен размером <1,5 нм, с оксидной оболочкой или покрытием, обогащённым окисленным бором. Частицы Fe(BH) дополнительно агрегируются в цепочки. Оба материала характеризуются потенциалами коррозии, более отрицательными, чем у наноразмерных Fe2O3 и Fe3O4, микроразмерного Fe0 или массивного диска Fe0, что согласуется с их быстрым восстановлением кислорода, бензохинона и тетрахлорметана. Бензохинон, который, предположительно, характеризует поверхностные реакции внутренней сферы, реагирует с Fe(BH) быстрее, чем с Fe(H2), тогда как тетрахлорметан реагирует с Fe(BH) и Fe(H2) с близкими скоростями, предположительно посредством переноса электронов по внешнесферному механизму. Оба типа нано-Fe0 реагируют быстрее, чем микроразмерный Fe0, если сравнивать константы скорости, нормированные по массе, однако константы скорости, нормированные по площади поверхности, не демонстрируют значимого эффекта наномасштаба. Распределение продуктов восстановления тетрахлорметана более благоприятно при использовании Fe(H2), поскольку при его реакции образуется меньше хлороформа, чем при реакции с Fe(BH).