综述：铁砂衍生材料：合成路线、磁性能及多功能应用的综述

《Minerals Engineering》：Iron sand–derived materials: A review on synthesis routes, magnetic properties, and multifunctional applications

铁砂 Derived磁性氧化物材料的合成、性能与应用综述。本文系统总结了铁砂制备Fe3O4和Fe2O3纳米材料的方法（共沉淀、超声波合成等）、磁学特性（矫顽力、剩磁）及在电磁屏蔽（RL100mg/g）、光催化（>90%）等领域的应用。通过分析合成参数与材料性能的关联，提出绿色制备技术和规模化挑战。

　　

杰拉尔德·亨德里克·塔穆图安（Gerald Hendrik Tamuntuan）、阿尔迪安萨亚·阿尔迪安萨亚（Ardiansyah Ardiansyah）、奥迪·丹尼·温图（Audy Denny Wuntu）、贡图尔·帕萨乌（Guntur Pasau）、达尔玛瓦蒂·达尔维斯（Darmawati Darwis）、多尔菲·潘德拉（Dolfi Pandara）、达朗·塔希尔（Dahlang Tahir）

印度尼西亚马纳多（Manado）萨姆拉图兰吉大学（Sam Ratulangi University）数学与自然科学学院物理系，邮编95115

摘要

铁砂在印度尼西亚沿海地区储量丰富，是氧化铁的天然来源，也是制备功能性Fe₃O₄和Fe₂O₃基材料的理想前体。本文综述了铁砂衍生材料的最新进展，包括合成方法、磁性能以及多种技术应用。通过Scopus数据库使用关键词检索相关文献，并根据筛选标准选出41篇论文进行定性分析。讨论了多种合成方法，如常规和改性的共沉淀（例如使用二乙胺或聚合物稳定剂）、声化学方法、反应球磨、高温固态氧化以及湿法沉淀-煅烧技术。这些方法可生产出晶粒尺寸从几十纳米到微米级的Fe₃O₄和Fe₂O₃，其饱和磁化强度通常在几十emu g^?1范围内，受相纯度、阳离子化学计量比和热处理参数的影响。从应用角度来看，铁砂基材料作为电磁波吸收剂（EMI屏蔽）表现出优异性能，在X波段反射损耗可低于-50 dB；作为重金属和Au(III)的吸附剂，吸附能力超过100 mg g^?1；并在可控光照下作为光催化剂，降解有机染料的效率超过90%。此外，铁砂还在可再生能源（生物柴油催化、电化学材料、储能陶瓷）、生物医学应用（磁流体、抗菌剂、磁响应水凝胶）以及低排放燃料生产中的氧载体方面取得进展。总体而言，本文强调了化学成分控制、微观结构调节和表面工程在优化铁砂衍生材料功能性能以及实现实验室研发与可持续工业应用之间的桥梁作用中的关键作用。

引言

过去二十年里，功能性金属氧化物材料的发展得益于能源、环境修复和生物医学领域不断增长的技术需求（Mukhayani等人，2024年；Prameswari等人，2023年；Purnomo等人，2024年）。在各种金属氧化物中，磁性氧化铁（磁铁矿和赤铁矿/磁赤铁矿）因其可调的磁性能、化学稳定性、自然界中的丰富储量以及相对于贵金属或稀土基材料的较低生产成本而备受关注（Apriliani等人，2024年；Wei等人，2024年）。这些特性使得基于氧化铁的材料在电磁干扰（EMI）屏蔽（Li等人，2026年）、污染物吸附（Ningtyas等人，2024年；Rahmi等人，2025年）、光催化（Putra等人，2019年）、能源相关设备（Alimin等人，2025年）、生物医学平台（Utami等人，2025年）以及化学循环技术中的氧载体系统（Purnomo等人，2024年）等领域具有广泛应用前景。

铁砂是最有前景的氧化铁天然来源之一，尤其在印度尼西亚及其他构造带沿岸地区的火山地带储量丰富（Rahmi等人，2023年；Taufiq等人，2021年；Wendari等人，2024年）。铁砂通常含有磁相（如磁铁矿Fe₃O₄）和钛磁铁矿，以及非磁相（如钛铁矿FeTiO₃、石英SiO₂）和其他矿物杂质（Heryanto和Tahir，2021年；Huang等人，2023年；Munasir等人，2025年）。尽管铁砂资源丰富，但其利用主要局限于传统冶金领域，而作为高价值功能材料前体的潜力尚未得到系统探索。通过适当纯化和处理，铁砂可转化为具有商业产品相当相纯度和磁性能的Fe₃O₄或Fe₂O₃纳米颗粒，从而在资源本地化和可持续性方面具有优势（Liang等人，2025年；Prasetyowati等人，2024年；Sebayang等人，2022年）。

已开发出多种合成策略将铁砂转化为具有可控性能的氧化铁基材料。共沉淀是最常用的方法，因其简单、加工温度低且能产生超顺磁性能的纳米颗粒（Munasir等人，2020年；Prasetyowati等人，2025年；Rahmi等人，2019年）。添加聚合物稳定剂（PEG、PVP）、有机封端剂（二乙胺）或超声处理等改进措施可提高前体均匀性、控制晶核形成和晶体生长、抑制颗粒团聚，从而提升结晶度和磁性能。其他途径包括声化学合成（Alimin等人，2025年）、反应球磨（Mashuri等人，2024年）、HF酸纯化（Rettob等人，2025年）、沉淀-煅烧（Widayat等人，2022年）和高温固态氧化，这些方法可定制特定相（Fe₃O₄或Fe₂O₃）、形态和微观结构，进而影响材料性能。

与合成技术进步同步，铁砂衍生材料的复合工程也取得了显著进展（Heryanto和Tahir，2023年；Prabowo等人，2022年；Shuib和Pickering，2016年；Zulhan等人，2022年）。氧化铁与碳基材料（石墨烯、碳纳米管、生物炭）、导电聚合物（Taufiq等人，2020年）、介电陶瓷（Rianna等人，2023年）和生物聚合物（如壳聚糖和胶原蛋白）结合，以优化电磁响应、吸附能力、光催化活性和生物相容性（Rettob等人，2025年；Utami等人，2025年）。例如，Fe₃O₄/导电聚合物和Fe₃O₄/多孔碳复合材料在X波段的EMI屏蔽中实现了极低的反射损耗（Li等人，2026年；Taufiq等人，2020年）；用生物聚合物改性的Fe₃O₄@SiO₂对重金属和Au(III)具有高吸附能力（Nuryono等人，2020年）；Fe₂O₃/Fe₃O₄基半导体复合材料在光照下能有效降解有机染料（Putra等人，2019年）。此外，从铁砂衍生的磁性纳米颗粒还被研究用于磁流体、抗菌剂、磁响应水凝胶和化学循环中的氧载体，应用于环境和生物医学领域（Purnomo等人，2024年；Taufiq等人，2021年）。

尽管关于铁砂利用的研究不断扩展，但系统梳理铁砂衍生材料发展情况的综述仍较为有限，尤其是在合成策略、物理化学性质和多功能应用方面。尽管近期有相关综述，但往往侧重于不同的前体来源或狭义的性能评估。例如，Prabuhu等人对用于水和废水处理的磁性纳米颗粒吸附剂进行了综述，强调吸附能力和可行性，未特别关注前体的矿物学限制（Prabhu等人，2023年）。Sun等人研究了来自富含铁的工业废弃物（如钢渣、红泥、铁尾矿）的功能材料，包括环境应用和相关风险评估，这些与海滩沙子的矿物学特征有很大差异（Sun等人，2024年）。Mei等人主要关注废水处理中的铁氧体合成过程及工业残留物回收为铁氧体材料（Mei等人，2018年）。Nzeh等人及Nzeh和Popoola研究了重矿物砂的物理选矿技术（如重力分离、磁分离和静电分离），为上游工艺提供了宝贵见解，但对下游功能材料开发或跨应用性能的探讨较少（Nzeh等人，2023年；Nzeh和Popoola，2024年）。综上所述，需要一份综合性综述，将海滩铁砂衍生材料置于合成-结构-磁性-性能框架内，以涵盖多种应用领域。

本文旨在系统概述基于铁砂的材料，重点关注三个方面：首先总结将铁砂转化为Fe₃O₄、Fe₂O₃及其复合材料的各种合成技术，包括提高材料质量（颗粒尺寸、形态、相纯度和磁性能）的工艺改进；其次分析合成参数与所得结构/微观结构及磁性能之间的关联；最后回顾并比较铁砂衍生材料在EMI屏蔽、污染物吸附、光催化、可再生能源技术、生物医学系统和化学循环中作为氧载体的应用性能。通过这种方法，本文全面了解了当前研究现状，并指出了将铁砂基材料从实验室研发推向可持续工业应用所需的挑战和机遇。

部分摘录

文档选择方法

本文的文档选择过程遵循图1所示的工作流程。由于Scopus数据库具有广泛的多学科覆盖范围和相对标准化的元数据，便于系统检索和数据提取，因此选择该数据库进行文献搜索。此外，许多知名期刊同时被Scopus和Web of Science索引，使得Scopus成为获取核心文献的合适来源。

共沉淀方法

共沉淀是从铁砂等天然来源制备Fe₃O₄（磁铁矿）最常用且有效的方法之一，因为它能生成高纯度、尺寸可控且具有强超顺磁性的纳米颗粒（Prasetyowati等人，2024年；Rahmi等人，2019年；Wahfiudin等人，2024年）。该方法的基本原理是在碱性介质中同时沉淀Fe²⁺和Fe³⁺离子以形成磁铁矿。

铁砂衍生材料的磁性能

表1总结了从铁砂合成的材料的饱和磁化强度（M_s）、剩磁（M_r）和矫顽力（H_c）等参数。该表格还提供了合成方法、颗粒或晶粒尺寸以及各材料预期应用的信息，有助于将处理方法和结构特征与观察到的磁软硬度联系起来。

EMI屏蔽

在EMI屏蔽应用中，铁砂衍生材料通常作为微波或雷达吸收材料使用，通过矢量网络分析仪（VNA）测量反射损耗（RL）进行评估（Mashuri等人，2024年；Mashuri等人，2018年；Taufiq等人，2020年）。如表2所示，铁砂基系统的最小RL（RL_min）性能在0–18 GHz范围内变化较大（约-7至-64 dB），具体性能取决于材料类型。

结论与未来方向

利用铁砂作为生产功能性氧化铁基材料的矿物原料，其应用性能主要受合成路径、相纯度和界面质量的控制。从放大生产的角度来看，最有前景的途径是那些溶剂使用少、对原料变化具有耐受性且在工艺层面易于控制的路径，例如：（i）选矿（磁分离）后进行机械化学处理。

CRediT作者贡献声明

杰拉尔德·亨德里克·塔穆图安（Gerald Hendrik Tamuntuan）：撰写初稿、调查、数据分析、概念构思。阿尔迪安萨亚·阿尔迪安萨亚（Ardiansyah Ardiansyah）：撰写初稿、可视化设计、方法论制定、数据分析、概念构思。奥迪·丹尼·温图（Audy Denny Wuntu）：撰写初稿、方法论制定、概念构思。贡图尔·帕萨乌（Guntur Pasau）：撰写初稿、方法论制定、概念构思。达尔玛瓦蒂·达尔维斯（Darmawati Darwis）：撰写初稿、方法论制定、概念构思。多尔菲·潘德拉（Dolfi Pandara）：撰写初稿、方法论制定。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们衷心感谢萨姆拉图兰吉大学研究与社区服务研究所（LPPM）通过萨姆拉图兰吉大学国内合作研究计划（Riset Kerjasama Dalam Negeri，合同编号：1140 /UN12.27/LT/2025）资助了这项研究。