匠心独具 探索新材料领域——北京工业大学材料科学与工程学院副研究员陈学安

本刊记者 张 燕

匠心独具 探索新材料领域
——北京工业大学材料科学与工程学院副研究员陈学安

本刊记者 张 燕

材料是人类赖以生存和发展的物质基础，与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。从上世纪70年代开始，人们就把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。

新晶体材料作为高技术发展中不可或缺的环节之一，必须受到材料领域的高度重视。

陈学安，现任北京工业大学材料科学与工程学院副研究员。曾获德国洪堡基金会奖学金、美国Rutgers大学化学系博士后、日本广岛大学助理教授等职位。2003年，他毅然回国工作，受聘于北京工业大学材料科学与工程学院。2006年，他凭借多年来的出色工作，入选北京市人才工程“中青年骨干教师培养计划”。目前，他已经在国内外正式期刊上发表学术论文70余篇，其中约60篇被SCI收录。

多年来的执着追求和刻苦钻研，使他在新晶体材料的探索合成、晶体结构、光谱性质以及电子结构计算方面取得了一系列的研究成果。

新型硼酸盐氧化物的探索合成和晶体结构研究

最近几十年来，由于激光技术的不断发展，具有非线性光学效应等功能的晶体材料在激光技术、光学通讯、光学数据存储和光信号处理等方面得到了广泛的应用，相继地对晶体材料提出了各种新的要求，因此，除了对现有的晶体材料设法继续提高质量或掺质改性外，研究晶体的组成，结构与性能间相互关系，探索寻找各类新型晶体材料始终是一个热门课题。

国家自然科学基金项目——新型硼酸盐氧化物的探索合成和晶体结构研究，是陈学安目前的在研项目。该项目将系统地探索合成结构中包含易形成畸变配位多面体的高价态过渡金属离子（或者含有Bi3+,Pb2+等载有孤对电子的离子）的复合硼酸盐，力争获得多个具有非对称中心结构的化合物，从而探索合成出新型硼酸盐功能材料。

通过几年时间的探索，陈学安课题组使用高温溶液缓慢降温和固相反应相结合的方法，制备得到了一系列新型硼酸盐化合物，共有二十多种，并对它们进行了结构和性能关系的研究。这些化合物的晶体结构体现了硼酸盐结构的多样性，但是关于这些化合物的合成、结构与性能的研究国际上尚无文献报导，为此，课题组开展了这方面的研究，不仅丰富和发展了现有的硼酸盐结构化学，而且对新型硼酸盐功能材料的探索合成具有一定的指导意义，这项研究使课题组在硼酸盐的合成和结构研究领域内有了一定的国际知名度。

在所发现的硼酸盐中，BiCd3(AlO)3(BO3)4，Bi2ZnB2O7和CaBiGaB2O7具有非对称中心结构，满足作为压电、热释电、铁电和非线性光学等功能材料的先决条件，其中后两种化合物由加拿大学者Barbier等人首先发现，但他们只给出了基于粉末衍射数据的粗略结构模型，课题组生长出单晶，并进行了精确的结构测定和系统的理论计算。Bi2ZnB2O7具有较强的粉末倍频效应（其强度大约为KDP（KH2PO4）的4倍），理论计算表明，该材料在比较宽的频率范围内能够实现相位匹配，UV漫反射光谱表明其吸收边约为360nm。CaBiGaB2O7的粉末倍频效应相当于KDP的2倍，其吸收边大约为427nm，该材料也能实现相位匹配。Bi2ZnB2O7和CaBiGaB2O7是潜在的新型非线性光学晶体材料。如果能将其生长成大块晶体，并制作成有用的器件应用于激光系统中，就会促进光电技术等高技术产业的发展，产生社会、经济效益。

目前，该课题组已在国际学术刊物上发表了近三十篇论文，在固体化学领域产生了一定的国际影响。自2007年起，项目负责人为“Inorganic Chemistry”和“Journal of Solid State Chemistry”等国际著名学术刊物评审论文二十多次, 受到了国际同行的认可。

尾矿酸浸液中铁和镁分离技术研究及成果转化与应用

温家宝总理在视察甘肃兰州金川科技园时提出要对矿产资源“吃干榨尽”，在尾矿的综合利用和资源化的过程中，运用循环经济模式指导回收利用工作，最大限度地发掘矿产资源，可获得较高的经济效益。

甘肃金川集团有限公司积极响应号召，经过一年多的反复试验，该公司尾矿中的镍铜已可通过一定方法实现回收，但酸浸滤液中仍含有较高含量的铁和镁，为了实现尾矿中资源的综合利用，并提高其经济性，该公司将“尾矿酸浸液中铁和镁分离技术研究”作为2010年重大科研课题。并最终由陈学安接棒，负责该项目的研究工作。

“尾矿酸浸液中铁和镁分离技术研究”旨在从金川公司尾矿酸浸液中提取分离铁和镁并制得铁红Fe2O3、MgO和MgSO4·7H2O，实现矿产资源综合利用，并要求所得产品符合化工产品行业标准，铁和镁的回收率不低于60%。

该项目研究过程中如何经济除铁以及铁的合理资源化成为能否成功回收金属的关键课题。此外，还要对如何从残液中分离硫酸镁以及如何将其开发成高附加值产品做系统研究。

经过检验，陈学安发现金川集团公司提供的尾矿酸浸液中除含有较高浓度的Fe2+和Mg2+离子外，还含有一定量的Na+、Ca2+、Mn2+和Si4+等杂质离子。这些杂质离子必须设法除去，否则会影响回收得到的铁红Fe2O3和MgSO4·7H2O产品纯度。

为此，他们制定了切实可行的技术方案。

他们首先对酸浸液进行絮凝剂法除硅，再进行针铁矿法沉铁。对沉铁所得的滤饼进行煅烧制备粗铁红，用一定浓度的稀酸对粗铁红进行酸洗除杂，得到了符合工业氧化铁国家标准（HG/T 2574-2009)的高纯度铁红，最终实现了铁的回收和产品化。

尾矿酸浸液经除铁后得到粗制硫酸镁溶液，加入氧化剂将Mn2+氧化成MnO2沉淀除去，再将溶液蒸发浓缩至硫酸钙析出，通过趁热过滤除去钙，得到精制硫酸镁溶液，最后经过蒸发、结晶、干燥等步骤，得到符合工业硫酸镁国家标准（HG/T 2680-2009）规定的I类一等品质量指标的高纯硫酸镁产品，实现了镁的回收和产品化。

目前，该项目的实验室工作已经基本完成，铁回收率85%，镁回收率65%，达到验收指标。后期工作将在金川集团公司进行中试，并最终实现产业化。

除了所承担的科研项目外，陈学安也十分重视国际间的交流与合作。他同捷克物理学家Ali Reshak (Institute of Physical Biology, South Bohemia University, Nove Hrady 37333, Czech Republic)合作进行了硼酸盐的合成、结构、光谱性质以及线性和非线性光学性能计算等研究。目前已经发表国际合作论文6篇，其中2篇在“Current Opinion in Solid State and Materials Science”；2篇在“The Journal of Physical Chemistry B”；1篇在“The Journal of Chemical Physics”等国际著名学术期刊上，还有一些国际合作论文正在写作中。