材料科學(xué)綜合

銀系無機(jī)抗菌材料研究進(jìn)展

王靜，水中和，冀志江，等

摘要：人類的生存和健康持續(xù)受到各種細(xì)菌病毒的威脅。日常生活中人們?cè)絹碓诫x不開抗菌防霉技術(shù)和抗菌材料的使用。抗菌材料目前主要有3大類，分別是天然抗菌材料、有機(jī)抗菌材料和無機(jī)抗菌材料。無機(jī)抗菌材料是近20年發(fā)展的一類抗菌材料，主要有半導(dǎo)體光催化型、金屬離子金屬氧化物型等。這類抗菌材料具有化學(xué)穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性好、無毒、廣譜、不產(chǎn)生耐藥性等優(yōu)點(diǎn)，在塑料、纖維、涂料、陶瓷等制品的應(yīng)用中占有很大優(yōu)勢(shì)。文章系統(tǒng)論述了國(guó)內(nèi)外銀系無機(jī)抗菌材料的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了納米銀顆粒和載銀型兩類無機(jī)抗菌材料，包括它們的種類、制備方法、抗菌機(jī)理及其在各種制品中的應(yīng)用等。納米銀無機(jī)抗菌材料的制備方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法。載銀型無機(jī)抗菌材料根據(jù)載體不同分為沸石、蒙脫石、可溶性玻璃、羥基磷灰石和磷酸鹽等類型。銀系無機(jī)抗菌材料在醫(yī)療用品、陶瓷、塑料、涂料等制品上已得到大量應(yīng)用，但其潛在毒性和生物安全性還有待進(jìn)一步關(guān)注。關(guān)于載銀型無機(jī)抗菌材料的抗菌機(jī)理主要有接觸式抗菌和光催化假說兩種觀點(diǎn)。文章還簡(jiǎn)要介紹了納米銀在醫(yī)療器械等方面的應(yīng)用和載銀型抗菌材料在各類抗菌制品上的應(yīng)用。文章最后提出了銀系無機(jī)抗菌材料還需深入研究的問題和今后的發(fā)展前景。銀系無機(jī)抗菌材料由于其廣譜的抗菌性、安全無毒、耐久性、不產(chǎn)生耐藥性、耐熱性和加工性好的特點(diǎn)，在醫(yī)療和各種制品行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。然而，銀系無機(jī)抗菌材料也存在一些問題。納米顆粒的粒徑大小、表面的電荷性質(zhì)、添加的處理劑、分散液及所處的物理化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化，納米顆粒都會(huì)表現(xiàn)出不同的毒性和生物安全性。通過不同途徑進(jìn)入人體的納米銀所產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)的研究尚不充分，還沒有完整公認(rèn)的評(píng)價(jià)納米產(chǎn)品生物安全性的標(biāo)準(zhǔn)方法和體系。從納米銀材料制備角度，對(duì)于可控尺寸、多形貌納米 銀 的 合成技術(shù)尚待提高。合成方法多使用有毒化學(xué)試劑，納米顆粒極易發(fā)生團(tuán)聚，并且粒徑小、單一形貌納米銀產(chǎn)量低，多形貌納米銀的單分散性及其化學(xué)和熱穩(wěn)定性還需全面系統(tǒng)的研究。載銀型抗菌材料的載體不同、制備工藝的穩(wěn)定成熟、銀含量等都對(duì)材料的抗菌效果、光穩(wěn)定性、耐溫性等有影響。如何提高銀系無機(jī)抗菌材料的產(chǎn)量，使生產(chǎn)技術(shù)朝成本低、消耗低、污染低的“三低”方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)制備過程的“綠色”化，并合成結(jié)構(gòu)更為精細(xì)和所需特定微觀結(jié)構(gòu)的銀系無機(jī)抗菌材料，全面詮釋銀系無機(jī)抗菌材料對(duì)生物體健康的影響因素，這些都是銀系無機(jī)抗菌材料研究與發(fā)展的重要方向。

來源出版物：材料導(dǎo)報(bào),2013,27(17): 59-64

入選年份：2017

非金屬摻雜二氧化鈦光催化劑的研究進(jìn)展

王麗，陳永，趙輝，等

摘要：納米TiO2作為一種功能型半導(dǎo)體材料，在光電轉(zhuǎn)化和光催化領(lǐng)域有著廣泛 的應(yīng)用，但其光響應(yīng)范圍窄、太陽光利用率低、光量子效率低，限制了TiO2的實(shí)際應(yīng)用。對(duì)TiO2進(jìn)行摻雜改性可以有效拓寬其光響應(yīng)范圍，促使光生電荷有效分離，以提高光量子效率和光催化劑的穩(wěn)定性。文章介紹了TiO2摻雜前后的光催化作用機(jī)理。光生載流子的快速分離并快 速傳遞至催化劑表面是完成整個(gè)光催化反應(yīng)的關(guān)鍵。光生載流子在傳遞至表面的過程中，經(jīng)歷多個(gè)變化途徑，主要存在復(fù)合和輸運(yùn)/俘獲兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的過程，對(duì)光催化過程來說，只有俘獲光激發(fā)載流子并與電子給體/受體發(fā)生作用才是有效的。因此抑制光生載流子的復(fù)合，提高界面電子轉(zhuǎn)移速率常 數(shù)是改善光催化性能的有效方法。利用摻雜改性來提 高TiO2的光催化性能，其原因主要有以下兩點(diǎn)：（1）形成電子和空穴的俘獲阱，抑制光生電子和空穴復(fù)合；（2）產(chǎn)生雜質(zhì)能級(jí)，減小TiO2帶隙。文章綜述了單一非金屬元素?fù)诫sTiO2的研究進(jìn)展。單一非金屬的摻雜主要集中在周期表中氧附近的元素，如B、C、N、S 等。對(duì)于非金屬摻雜的機(jī)理，目前普遍認(rèn)為是由于非金屬中的p 軌道與O 的2p 軌道發(fā)生雜化后，TiO2價(jià)帶寬化上移，禁帶寬度相應(yīng)減小，從而吸收可見光，產(chǎn)生光生載流子，進(jìn)而提高其催化活性。文章也綜述了非金屬元素與其他元素共摻雜TiO2的研究進(jìn)展?？v觀各種已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的可見光響應(yīng)催化劑，非金屬元素特別是氮元素的陰離子摻雜是可以在不降低紫外光催化活性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)可見光響應(yīng)的較好方法，但是單組分的摻雜很難同時(shí)提高這兩方面的性能。因此研究者選擇兩種或多種離子對(duì)TiO2共摻雜改性，目的是期望利用共摻雜離子間的協(xié)同作用提供電子和空穴陷阱，抑制電子-空穴的復(fù)合，提高光催化活性；同時(shí)，利用各摻雜離子的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)來拓寬TiO2的吸收光譜范圍，提高其在可見光下的光催化能力。共摻雜的研究也多圍繞N 元素來開展，其中包括N&S、N&C、N&F、N&Gd 和N&C&S 等共摻雜。文章還對(duì)非金屬摻雜TiO2的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，認(rèn)為非金屬元素?fù)诫sTiO2的改性方法可以有效地將TiO2光譜響應(yīng)范圍拓展到可見光區(qū)，從而使其具有可見光催化活性。進(jìn)一步研究可以從以下幾個(gè)方面入手。（1）進(jìn)一步改進(jìn)其制備技術(shù)，降低成本，尋找更高效安全的摻雜方法。（2）摻雜機(jī)理、光催化反應(yīng)機(jī)理以及多種非金屬元素?fù)诫s的協(xié)同效應(yīng)研究。（3）在原料選擇、制備方法、催化劑回收等方面做進(jìn)一步的技術(shù)優(yōu)化。綜上所述，該文章期望能為高效TiO2光催化劑的研制與開發(fā)提供思路和依據(jù)。

來源出版物：材料導(dǎo)報(bào),2015,29(1): 147-151

入選年份：2017

采用α-氨基膦酸酯從硫酸鹽溶液中萃取回收鈰（IV）和釷（IV）的研究

盧有彩，張志峰，李艷玲，等

摘要：目的：氟碳鈰礦是一種重要的輕稀土資源，不僅所含的鈰元素占總稀土的一半左右，而且還含有放射性釷元素。因此，對(duì)其中的鈰和釷進(jìn)行優(yōu)先分離是提高稀土冶煉效率、從源頭防止釷對(duì)環(huán)境的放射性污染的重要途徑。本文通過在分子結(jié)構(gòu)中引入氮原子的方法合成新型中性膦萃取劑Cextrant 230，進(jìn)行萃取熱力學(xué)的研究，探索該萃取劑從硫酸介質(zhì)中優(yōu)先分離鈰和釷的性能和機(jī)理，并提出相應(yīng)的氟碳鈰礦分離工藝。方法：采用平衡萃取的方法研究Cextrant 230 萃取劑對(duì)鈰釷及其他稀土元素的萃取性能與萃取熱力學(xué)機(jī)理以及工業(yè)應(yīng)用的可能性。首先，采用亞磷酸酯和甲醛、異辛胺反應(yīng)合成Cextrant 230，利用氣相色譜和核磁共振譜（NMR）等對(duì)萃取劑進(jìn)行了表征。然后通過平衡萃取考察鈰釷及其他稀土離子的萃取率隨水相酸度改變的變化規(guī)律，并通過斜率法確定鈰和釷的萃取機(jī)理；通過考察鈰釷的萃取率隨體系溫度改變的變化規(guī)律，確定萃取反應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)；研究負(fù)載有機(jī)相中金屬離子的反萃行為以及萃取劑的循環(huán)使用性能，在此基礎(chǔ)上提出從氟碳鈰礦中優(yōu)先分離鈰釷的工藝，考察鈰釷的回收和分離情況。結(jié)果：Cextrant 230 具有從硫酸介質(zhì)中萃取四價(jià)鈰的優(yōu)良性能，在所考察的酸度范圍內(nèi)對(duì)四價(jià)鈰具有較高的萃取率，而同等條件下三價(jià)稀土基本不被萃取；在水相酸度＜1 mol/L H2SO4時(shí)，釷的萃取率與四價(jià)鈰的相當(dāng)，但隨著水相酸度的升高，釷的萃取率迅速降低，從而可通過控制水相酸度實(shí)現(xiàn)四價(jià)鈰和釷的萃取分離。四價(jià)鈰和釷的萃合物分別為Ce（HSO4）2SO4·2L 和Th（HSO4）2SO4·L，鈰的萃取過程是一個(gè)放熱反應(yīng)，而釷的萃取過程為一個(gè)吸熱反應(yīng)。萃入到有機(jī)相中的四價(jià)鈰可通過將其還原為三價(jià)來實(shí)現(xiàn)反萃，而鹽酸則是一種有效的釷的反萃劑。Cextrant 230 萃取劑具有良好的穩(wěn)定性，經(jīng)過50 次循環(huán)，該萃取劑的萃取容量基本沒有變化，30% Cextrant 230對(duì)鈰的萃取容量仍保持在30 g/L 以上。以氧化焙燒的氟碳鈰礦硫酸浸出液為料液，優(yōu)先萃取分離四價(jià)鈰和釷的擴(kuò)大試驗(yàn)獲得了純度分別大于99.9%和99%鈰和釷產(chǎn)品，鈰和釷的收率分別為92%和98%。結(jié)論：引入分子結(jié)構(gòu)中的氮原子改變了萃取劑的性能、增強(qiáng)了萃取劑與四價(jià)鈰和釷的結(jié)合能力，使得Cextrant 230 成為一種從硫酸介質(zhì)中萃取四價(jià)鈰和釷的高效萃取劑。其不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)四價(jià)鈰和釷的優(yōu)先萃取，使四價(jià)鈰和釷與三價(jià)稀土分離，而且通過調(diào)節(jié)水相酸度也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)四價(jià)鈰和釷的分離。萃取到有機(jī)相中的四價(jià)鈰和釷可通過添加還原劑或鹽酸實(shí)現(xiàn)高效反萃。該萃取劑性能穩(wěn)定，適合于循環(huán)使用。采用該萃取劑可以對(duì)氟碳鈰礦浸出液中的鈰和釷進(jìn)行優(yōu)先萃取分離，料液中的其他組份對(duì)鈰和釷的萃取及分離沒有影響。

來源出版物：Journal of Rare Earths,2017,35(1): 34-40

入選年份：2017