综述：用于环境修复的氮化铁基（纳米）材料：合成、表征与性能研究

《Environmental Science & Technology》：Nitridated Iron-Based (Nano)Materials for Environmental Remediation: Synthesis, Characterization, and Performance

硝化改性技术通过热化学或机械化学方法在零价铁表面或体积分散氮元素，形成铁氮相（Fe_xN）或Fe-N配位结构，显著提升污染物降解效率。Fe_xN增强电子转移能力并抑制析氢副反应，延长材料寿命，在TCE、PCE等氯代烃降解中表现优于硫化物改性材料，同时保持宽pH适应性。研究还揭示了Fe_xN与Fe-N协同改性的潜力，为环境修复提供新策略。

　　铁基材料，特别是零价铁（ZVI）因其在环境修复、化学合成和能量存储等领域的广泛应用而受到关注。然而，ZVI在实际应用中常受到表面钝化和非目标副反应的限制，这些因素会降低其处理效率和可持续性。为解决这些问题，许多对ZVI的表面或体相化学改性方法已被提出，其中最近发展的氮化（即将氮引入ZVI的表面或体相晶格）展现出极大的潜力。本综述旨在探讨氮化方法及其对铁基材料形貌和物理化学性质的影响，以及氮化后材料在污染物去除方面的性能表现。

氮化过程通常涉及氮的引入，这可以形成铁氮化物或Fe–N配位结构。这些结构通过不同的机制增强脱氯性能。铁氮化物可以提高电子传递效率，抑制氢气析出反应（HER），并加速对多种污染物的还原脱氯过程。相比之下，Fe–N配位结构则有助于质子传递，从而改善脱氯效果，但其动力学特性有所不同。此外，氮化还能延长ZVI的反应寿命，通过缓解钝化现象，提供直接的抗腐蚀性能。综述强调了氮化铁基材料在高效、选择性和持久性环境修复应用中的潜力，并指出了进一步研究的方向，以促进其在大规模环境修复中的应用。

在氮化过程中，氮的引入可以通过多种方法实现，包括热化学氮化和机械化学氮化。热化学氮化通常在高温下进行，通过将氮气引入铁材料的晶格中形成铁氮化物，如γ′-Fe?N和ε-Fe?N。这一过程需要控制反应温度、压力、反应时间和氮源选择，以调节形成的氮化物相和氮含量。相比之下，机械化学氮化利用机械能（如球磨）与化学反应结合，将氮引入ZVI表面或体相，形成Fe–N配位结构。这一方法通常使用尿素、三聚氰胺或硫脲等含氮有机物作为氮源，通过高能球磨实现氮的均匀分布。

氮化过程对铁基材料的物理化学性质有显著影响。例如，通过热化学氮化制备的N-ZVI通常表现出较高的疏水性和电导率，这有助于提高其电子传递效率并减少HER的发生。而机械化学氮化则可能形成不同的表面结构，如Fe–N配位结构，这些结构对质子传递有促进作用。氮化物的形成和分布不仅影响材料的表面性质，还影响其内部结构，如晶体结构、氮含量和氧化状态等。

在氮化对污染物转化的影响方面，研究显示氮化ZVI在脱氯反应中表现出优异的性能。例如，N-ZVI对四氯乙烯（PCE）、顺式-1,2-二氯乙烯（cis-DCE）和三氯乙烯（TCE）等氯代烃的脱氯效率显著提高。氮化过程通过增强电子传递、抑制HER以及促进污染物的吸附和活化，提升了ZVI的反应性能。此外，氮化还能提高ZVI在不同pH条件下的稳定性，使其在碱性环境中仍能保持较高的反应活性。

氮化对ZVI的反应性能提升主要归因于其对电子传递效率的增强和对HER的抑制。通过氮化，ZVI表面的电子可用性增加，从而加快脱氯反应的速度。同时，氮化材料的疏水性增强，减少了水分子对铁表面的吸附，抑制了HER的发生，使更多的电子用于污染物的还原反应。在实际应用中，这种特性对于提高ZVI在复杂环境条件下的处理能力具有重要意义。

氮化ZVI的反应性能还受到材料合成方法和氮源选择的影响。例如，使用不同的氮源和合成条件可以调控氮化物的形成和分布，从而影响其对污染物的反应效率。此外，氮化物的形成还可能影响其在环境中的长期稳定性，因为氮化铁的抗腐蚀性能优于传统ZVI。这使得氮化材料在实际环境修复中具有更长的使用寿命。

为了进一步推动氮化ZVI在环境修复中的应用，研究者们提出了多个方向。一方面，需要深入理解氮化机制，包括氮的活化、扩散和氮化物相的形成过程，以及这些过程如何影响材料的性能。另一方面，研究还应关注氮化材料与其他修复技术的协同作用，如与高级氧化过程结合，以提高其处理复杂污染物的能力。此外，可持续的生产方法和生命周期评估也是未来研究的重要方向，以确保氮化材料的广泛应用不会带来额外的环境负担。

综上所述，氮化作为一种新兴的ZVI改性方法，不仅提升了其在污染物去除方面的性能，还通过抑制HER和提高电子效率延长了其反应寿命。随着对氮化机制的深入研究和合成技术的优化，氮化ZVI有望成为环境修复领域的重要材料，为解决当前ZVI在实际应用中的局限性提供新的解决方案。未来的研究应重点关注氮化材料的精确合成、反应机制的深入解析以及其在更广泛环境应用场景中的潜力，以实现其在环境修复中的高效、安全和可持续应用。