離子摻雜羥基磷灰石光催化抗菌材料的研究進(jìn)展

馬正先，李　兵，逄魯峰，王蘭芹，劉巧玲

(山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，濟(jì)南　250101)

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離子摻雜羥基磷灰石光催化抗菌材料的研究進(jìn)展

馬正先，李兵，逄魯峰，王蘭芹，劉巧玲

(山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，濟(jì)南250101)

論述了離子摻雜羥基磷灰石的研究現(xiàn)狀，指出了離子摻雜羥基磷灰石制備、性能與應(yīng)用研究中存在的主要問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題提出了離子摻雜羥基磷灰石的研究目標(biāo)，即合成具有光催化亞結(jié)構(gòu)的HAP(Ca10-x-y-zAxByCz(PO4)6(OH)2)，為離子摻雜羥基磷灰石的制備、特性和應(yīng)用研究指明了方向。

摻雜; 羥基磷灰石; 吸附; 抗菌; 光催化

1　研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，光催化抗菌材料的制備及其抗菌性能與應(yīng)用的研究一直是光催化領(lǐng)域的一個(gè)重要前沿課題。光催化反應(yīng)包括光催化劑的反應(yīng)物的吸附過(guò)程和光催化劑與吸收光而生成的電子和/或空穴移至吸附物處后的光降解反應(yīng)過(guò)程，目前大多從通過(guò)吸收光產(chǎn)生電子和/或空穴的角度出發(fā)，研究光催化材料及其性能，其中典型的材料就是二氧化鈦(TiO2)。但從研究結(jié)果來(lái)看，它還存在兩個(gè)主要問(wèn)題：一是需要通過(guò)光催化反應(yīng)去除的有害物質(zhì)不容易吸附在光催化劑上，二是通過(guò)光催化劑往往難以完全去除有害物質(zhì)，這其中的一個(gè)主要原因就是這些光催化材料的吸附能力不強(qiáng)。

羥基磷灰石(Hydroxyapatite，HAP(Ca10(PO4)6(OH)2))因其獨(dú)特的化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)，使其具有良好而廣泛的吸附性能、生物相容性、生物活性和熱穩(wěn)定性[1-4]?，F(xiàn)有研究表明，HAP與陽(yáng)離子和陰離子均容易進(jìn)行離子交換并富有極強(qiáng)的吸附性，特別是對(duì)蛋白質(zhì)、霉菌、細(xì)菌等的吸附能力更為優(yōu)異，由于對(duì)霉菌、細(xì)菌等具有強(qiáng)力吸附，因此能夠阻止甚至抑制其繁殖而起到抗菌抑菌作用。研究發(fā)現(xiàn)，許多金屬氧化物特別是半導(dǎo)體氧化物均具有較好的光催化效能，通過(guò)改性處理后，對(duì)于特定的反應(yīng)，其光催化量子效率或可見(jiàn)光的利用率還有明顯改善[5-8]。大量的研究證實(shí)，多相光催化在殺菌消毒方面具有很大的潛力[9-11]。但從目前的研究成果看，上述光催化材料在可見(jiàn)光下特別是在暗光下的光催化效率還普遍偏低，對(duì)有機(jī)物的降解率不高。

HAP具有優(yōu)異的吸附性能，可以使低濃度的有害物質(zhì)得以濃縮降解，研究還發(fā)現(xiàn)HAP中的Ca(Ⅱ)離子在水介質(zhì)中能與各種金屬離子發(fā)生交換[12]。利用這一性質(zhì)，將HAP和金屬氧化物進(jìn)行復(fù)合，可以提高其光催化效率和殺菌、抑菌效果。為此不少研究者對(duì)其進(jìn)行了多方面的研究工作，也取得了很多相應(yīng)的優(yōu)異成果。利用共沉淀法制備出的Ti(Ⅳ)摻雜HAP光催化抗菌材料，對(duì)乙醛的分解和對(duì)大腸桿菌的殺菌進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其具有良好的吸附性能和對(duì)有機(jī)物的良好殺菌性能[13]。通過(guò)對(duì)共沉淀制備的Ti(Ⅳ)摻雜HAP(TiHAP)進(jìn)行熱處理，經(jīng)FTIR和XRD研究表明，600℃處理的TiHAP光催化活性最佳[14]。研究還發(fā)現(xiàn)，利用共沉淀和離子交換的方法制備出Ti(Ⅳ)和Cu2+共摻雜的HAP(HAPTiCu)，由于Ti(Ⅳ)光催化活性和Cu2+抑菌的協(xié)同作用，可以顯著提高弱紫外光下對(duì)大腸桿菌的殺菌活性[15]。在TiO2光催化劑表面包覆少量HAP，可改善TiO2對(duì)有機(jī)物的吸附性能[16]。采用浸泡包裹的方法在介孔TiO2晶須光催化劑表面包覆少量HAP，制得對(duì)有機(jī)質(zhì)有較好吸附性能的催化劑前軀體，再利用光化學(xué)沉積法在包裹后的前軀體上擔(dān)載Ag，其催化性能得以提高，同時(shí)也保證了對(duì)有機(jī)質(zhì)的吸附能力[17]。利用非均相沉淀法和溶膠-凝膠法，制備出的具有核殼結(jié)構(gòu)的Ag/TiO2/HAP復(fù)合光催化劑顆粒，其光催化活性基本接近P25納米TiO2粉末[18]。通過(guò)沉淀法制備HAP，再用納米TiO2和HAP通過(guò)浸漬法合成TiO2/HAP復(fù)合材料，其光響應(yīng)性能比純TiO2有所提高，顯示出對(duì)二氯甲烷較高的光催化降解效率[19]。采用共沉淀水熱合成和離子交換的方法，制備鈦與銀離子共摻雜的HAP薄膜(HAP-TiAg)，研究表明，無(wú)論在紫外光照射還是在暗反應(yīng)下，銀與鈦離子共摻雜的HAP比TiO2表現(xiàn)出更高的殺菌作用。HAP-TiAg的高效活性主要取決于Ti(Ⅳ)與Ag+的協(xié)同作用；在暗反應(yīng)和光照反應(yīng)條件下，光催化與抗菌作用同時(shí)存在，細(xì)胞死亡是在分解和抑制細(xì)菌的共同作用下完成的，殺菌效率總是高于各種機(jī)制的單獨(dú)作用[20]。利用溶液離子交換法，將HAP粉末放入硝酸銀溶液中進(jìn)行浸泡，可以制備出載銀HAP(Ag-HAP)，載銀前后HAP的結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有發(fā)生改變，Ag+一部分吸附在HAP表面或進(jìn)入HAP晶格，取代Ca2+，另一部分形成了Ag3PO4晶體，富銀相呈顆粒狀均勻的分布在HAP基體上，未煅燒的復(fù)合材料對(duì)于大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均具有很強(qiáng)的抗菌性能[21]。

2　存在的問(wèn)題

綜上所述，關(guān)于HAP與氧化物復(fù)合作為光催化劑或抗菌劑的制備、性能和應(yīng)用研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了一些卓有成效的研究工作，但仍然存在一些未能解決的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)HAP與氧化物的復(fù)合大多為一種或兩種材料的包覆改性，量子效率低，其光催化活性與P25納米TiO2粉末相比提高不大；在暗反應(yīng)和光照反應(yīng)條件下，光催化與抗菌作用提高不明顯;

(2)HAP與氧化物在原子水平的復(fù)合研究，目前僅局限于一種或兩種金屬原子與HAP中Ca的進(jìn)行置換(如Ti、Ag 、La、TiAg、TiCu等)，沒(méi)有有效地?cái)U(kuò)大對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)范圍，達(dá)到提高可見(jiàn)光能轉(zhuǎn)換效率的目的;

(3)對(duì)HAP與氧化物復(fù)合后的材料體系的光催化抗菌作用與其化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)間相互關(guān)系的研究不夠深入、系統(tǒng);

(4)光激發(fā)、表面反應(yīng)、電荷輸運(yùn)與材料的晶體結(jié)構(gòu)、能帶、表面性質(zhì)之間的關(guān)系與規(guī)律研究相對(duì)較少，可見(jiàn)光下材料體系的光催化抗菌應(yīng)用效果與材料結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)規(guī)律尚不清楚。

3　研究目標(biāo)與展望

如果將具有光催化功能的氧化物和具有優(yōu)異吸附能力的HAP在原子水平進(jìn)行復(fù)合，即將構(gòu)成HAP中Ca的一部分用金屬氧化物中的金屬原子置換，在該金屬原子被替代部位形成與光催化性氧化物化學(xué)結(jié)構(gòu)相近似的類(lèi)似氧化物的部分結(jié)構(gòu)，即在具有優(yōu)異吸附性能的HAP晶體結(jié)構(gòu)中就賦予了能發(fā)揮光催化功能的類(lèi)似金屬氧化物的部分結(jié)構(gòu)，就可以提高分解對(duì)象物與類(lèi)似氧化物部分結(jié)構(gòu)的接觸效率，使其能夠以光催化功能為基礎(chǔ)，高效地將分解對(duì)象氧化分解。這種具有光催化亞結(jié)構(gòu)的HAP，在無(wú)光照(暗處)條件下，由于HAP本身的高吸附性，可以強(qiáng)力地吸附霉菌、細(xì)菌等，從而顯示出阻止乃至抑制霉菌、細(xì)菌等繁殖的抗菌作用；而在光照射條件下，對(duì)于多元摻雜羥基磷灰石來(lái)說(shuō)，由于經(jīng)多離子摻雜所賦予的光催化功能和高吸附性能的協(xié)同效應(yīng)，必將會(huì)顯示出比缺乏吸附力的具有光催化性能的單一金屬氧化物(如TiO2、ZnO等)具有更高分解效率和對(duì)霉菌、細(xì)菌等的更高抗菌防污效率等。

根據(jù)上述思路，我們提出合成以HAP為骨架的一系列新型的具有光催化功能的抗菌材料，其通式為Ca10-x-y-zAxByCz(PO4)6(OH)2。其中A、B、C為能在氧化物狀態(tài)下作為光催化中心發(fā)揮作用的金屬元素，A為可吸收紫外光的金屬元素(如Ti、Zn、W等)，B為可吸收可見(jiàn)光的金屬元素(如Fe、Cu、Cr等)，C為稀土元素(如La、Ce等)。通過(guò)調(diào)整Ca10-x-y-zAxByCz(PO4)6(OH)2中的A、B、C元素類(lèi)型(包括各元素的原子半徑和價(jià)態(tài))，實(shí)現(xiàn)該材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙寬度的有效調(diào)控，從而擴(kuò)大其對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)范圍，提高其可見(jiàn)光能轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)改變X、Y、Z的比例來(lái)調(diào)控元素在HAP晶格中變化，通過(guò)合成工藝過(guò)程的控制，使A、B、C的光催化金屬元素和氧(O)結(jié)合，獲得具有光催化亞結(jié)構(gòu)和具有不同能帶結(jié)構(gòu)的HPA，即Ca10-x-y-zAxByCz(PO4)6(OH)2系列材料，實(shí)現(xiàn)材料以高效的光催化分解作用為基礎(chǔ)的抗菌防污功能。

對(duì)于上述提出的具有光催化亞結(jié)構(gòu)的HAP新型材料，進(jìn)一步的研究可以考慮在制備、特性和具體應(yīng)用之間尋求其相對(duì)應(yīng)關(guān)系，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：通過(guò)能帶調(diào)控，研究探索和發(fā)現(xiàn)化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)與材料體系光催化抗菌作用的相互關(guān)系，建立和發(fā)展調(diào)控光催化抗菌材料能帶結(jié)構(gòu)的理論和方法；通過(guò)對(duì)光激發(fā)、表面反應(yīng)、電荷輸運(yùn)與材料晶體結(jié)構(gòu)、能帶、表面性質(zhì)之間的關(guān)系與規(guī)律的研究，揭示可見(jiàn)光下所研究材料體系的光催化抗菌效果與材料結(jié)構(gòu)與組成之間的對(duì)應(yīng)規(guī)律，以期達(dá)到拓寬光催化材料光吸收范圍和提高量子轉(zhuǎn)換效率的目的，顯示出以強(qiáng)吸附和光催化協(xié)同作用的光催化抗菌防污材料。

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Progress of Ion Doping Hydroxyapatite Used for Photocatalytic Antibacterial Material

MA Zheng-xian,LI Bing,PANG Lu-feng,WANG Lan-qin,LIU Qiao-ling

(School of Civil Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China)

The research status of ion doping hydroxyapatite is discussed. The main problems existed in the research of ion doping hydroxyapatite were summarized. Based on the summarization of the research contents,the further research object of the ion doping hydroxyapatite and the target of next step were put forward，that is the synthesis of HAP with photocatalytic substructure(Ca10-x-y-zAxByCz(PO4)6(OH)2). The direction of the preparation,properties and application research of ion doping hydroxyapatite were pointed out.

doping;hydroxyapatite;adsorption;antibiosis;photocatalysis

山東省科技惠民計(jì)劃項(xiàng)目(2014kjhmxq0211)；山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目(J14LG01)

馬正先(1962-)，男，博士，教授.主要從事礦物材料、納米材料、粉體工程等方面的研究.

TD985

A

1001-1625(2016)02-0474-04