光热增强磁性纳米马达团聚体主动纳米催化：香港中文大学张立教授课题组利用磁性纳米马达近红外光辐射下处理化工污水高效环保
香港中文大学张立教授研究团队报道了一种磁场控制且具有光热增强效果的磁性纳米催化马达团聚体，用于高效降解污水环境污染物。在可编程磁场控制下，该种催化方案可实现定点位置污染物处理及催化剂的回收利用，以期实现环保可持续作用。相关成果以题为“Light-Triggered Catalytic Performance Enhancement Using Magnetic Nanomotor Ensembles” 发表在Research上（Research, 2020, 6380794, DOI: 10.34133/2020/6380794）。
研究背景
随着近年来微纳米机器人的蓬勃发展，各种各样的微纳米马达已经在生物医学、环境修复等多个领域达成诸多成果。多种物理化学驱动方式，也使得微纳米马达具有较强的适应性和功能性，在微纳米工程中有着较为重要的潜在价值。
就与化学相关的纳米马达而言，大量研究集中在利用化学反应为纳米马达提供动力源，然而利用纳米马达团聚体作为应用媒介实现化工相关应用则鲜有报道。此外，特征尺度为纳米量级的纳米马达亦可作为纳米催化剂，实现对特定化学反应的高效催化，但异相催化剂的研发目前主要集中在其催化效率和可回收性，催化过程仍相对被动，未能实现纳米催化剂的主动高效催化。因此如何将纳米马达与纳米催化剂相结合以实现高效环保的功能具有较为重要的实际应用价值。
研究进展
香港中文大学机械与自动化工程学系张立教授，博士生纪凤同、王奔通过化学合成方法制备磁性Fe3O4纳米颗粒，并进行表面功能化涂覆金纳米颗粒层，使其具有降解环境污染物能力。在磁场与近红外光照共同作用下，纳米马达颗粒自发形成团聚体并具有高效快速的催化能力（图1）。
图 1 光热增强磁性纳米马达团聚体催化作用
相较于传动机械振动方式催化降解情况，当纳米催化剂与污染物低于一定浓度，催化即戛然停止，致使降解不完全。为加快催化速度，提升催化性能，磁性纳米团聚体可保证纳米催化剂浓度一直处于局部高浓度状态，可快速实现污染物的完全降解（图2）。在较低功率近红外光照下纳米马达团聚体亦具有较好光热效应，进而可以在较低催化剂用量条件下即可实现较高催化效率。
图 2 磁性纳米马达团聚体在不同条件下降解环境污染物
纳米马达团聚体具有可移动性，尤其在NaBH4反应体系中存在气泡的情况时，在旋转磁场的驱动下可以遍历反应溶液，实现均匀快速降解。在催化过程中，纳米马达团聚体主要有5种典型运动行为（图3），这些不同的运动形式相结合共同促进了纳米催化剂在保证催化效果同时的低用量。
图 3 磁性纳米马达团聚体在催化作用中的典型运动
未来展望
纳米马达团聚体的运动特性亦可通过编程磁场进一步控制运动状态，以实现定点位置污染物处理。纳米马达团聚体作为异相纳米催化剂，在化学反应中不会被消耗，因此只要在定点迁移过程中保证迁移效率时，即可保证迁移后的催化能力。磁场辅助控制能够实现纳米马达团聚体的定向移动，并于定点位置完成污染物处理，最后可以轻松利用永久磁铁或电磁铁将纳米马达团聚体回收去除（图4），体现绿色化工的环保性质。
图 4磁性纳米马达团聚体可实现定点位置污染物处理并易于回收清除
基于磁性纳米颗粒的可修饰性，磁性纳米马达团聚体未来有望负载更多种类纳米催化剂，主动按需加速不同种类催化反应，提高转化效率，广泛应用于环境与工业应用中。此外，特定材料和结构的设计亦有望拓宽光照增强催化，实现磁性等离子体纳米催化剂的应用，进而达到精准地控制反应速率与反应开关。
作者简介
张立，现任香港中文大学机械与自动化工程学系副教授，周毓浩创新医学技术中心成员，香港中文大学天石机器人研究所成员，IEEE Transactions on Robotics (TRO) 副编辑，IEEE高级会员，曾获2013年香港研究资助局杰出青年学者奖，IEEE NTC 杰出讲师，主要研究领域包括微纳米机器人学及其生物医学应用，纳米材料检测与传感，微纳米机器人集群效应等，现已发表学术文章200余篇，其中包括Science Robotics，Science Advances，Nature Communications等国际著名期刊。
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《Research》是中国科协与美国科学促进会于2018年共同创办的定位为国际化、高影响力、世界一流水平、综合性、大型OA科技期刊，是美国《Science》自1880年创刊以来第一本合作期刊。主要发表生命科学、新材料、新能源、人工智能、微纳米科学、环境科学、机械科学、机器人与先进制造8个具有巨大发展潜力的热点交叉领域突破性研究成果。目前已建立了93人的国内外各占50%、具有国际影响力的编委会，主编(中国)为西北工业大学常务副校长、中科院院士黄维，主编(国际)为美国明尼苏达大学麦克凯特杰出教授崔天宏。已被CAS、CNKI、CSCD、DOAJ、EI、ESCI、INSPEC、PMC、Scopus数据库收录。
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