材料科学综合

银系无机抗菌材料研究进展

王静，水中和，冀志江，等

摘要：人类的生存和健康持续受到各种细菌病毒的威胁。日常生活中人们越来越离不开抗菌防霉技术和抗菌材料的使用。抗菌材料目前主要有3大类，分别是天然抗菌材料、有机抗菌材料和无机抗菌材料。无机抗菌材料是近20年发展的一类抗菌材料，主要有半导体光催化型、金属离子金属氧化物型等。这类抗菌材料具有化学稳定性好、热稳定性好、无毒、广谱、不产生耐药性等优点，在塑料、纤维、涂料、陶瓷等制品的应用中占有很大优势。文章系统论述了国内外银系无机抗菌材料的研究和应用现状，重点介绍了纳米银颗粒和载银型两类无机抗菌材料，包括它们的种类、制备方法、抗菌机理及其在各种制品中的应用等。纳米银无机抗菌材料的制备方法主要有物理法、化学法和生物法。载银型无机抗菌材料根据载体不同分为沸石、蒙脱石、可溶性玻璃、羟基磷灰石和磷酸盐等类型。银系无机抗菌材料在医疗用品、陶瓷、塑料、涂料等制品上已得到大量应用，但其潜在毒性和生物安全性还有待进一步关注。关于载银型无机抗菌材料的抗菌机理主要有接触式抗菌和光催化假说两种观点。文章还简要介绍了纳米银在医疗器械等方面的应用和载银型抗菌材料在各类抗菌制品上的应用。文章最后提出了银系无机抗菌材料还需深入研究的问题和今后的发展前景。银系无机抗菌材料由于其广谱的抗菌性、安全无毒、耐久性、不产生耐药性、耐热性和加工性好的特点，在医疗和各种制品行业得到广泛应用。然而，银系无机抗菌材料也存在一些问题。纳米颗粒的粒径大小、表面的电荷性质、添加的处理剂、分散液及所处的物理化学环境发生变化，纳米颗粒都会表现出不同的毒性和生物安全性。通过不同途径进入人体的纳米银所产生的生物学效应的研究尚不充分，还没有完整公认的评价纳米产品生物安全性的标准方法和体系。从纳米银材料制备角度，对于可控尺寸、多形貌纳米 银 的 合成技术尚待提高。合成方法多使用有毒化学试剂，纳米颗粒极易发生团聚，并且粒径小、单一形貌纳米银产量低，多形貌纳米银的单分散性及其化学和热稳定性还需全面系统的研究。载银型抗菌材料的载体不同、制备工艺的稳定成熟、银含量等都对材料的抗菌效果、光稳定性、耐温性等有影响。如何提高银系无机抗菌材料的产量，使生产技术朝成本低、消耗低、污染低的“三低”方向发展，实现制备过程的“绿色”化，并合成结构更为精细和所需特定微观结构的银系无机抗菌材料，全面诠释银系无机抗菌材料对生物体健康的影响因素，这些都是银系无机抗菌材料研究与发展的重要方向。

来源出版物：材料导报,2013,27(17): 59-64

入选年份：2017

非金属掺杂二氧化钛光催化剂的研究进展

王丽，陈永，赵辉，等

摘要：纳米TiO2作为一种功能型半导体材料，在光电转化和光催化领域有着广泛 的应用，但其光响应范围窄、太阳光利用率低、光量子效率低，限制了TiO2的实际应用。对TiO2进行掺杂改性可以有效拓宽其光响应范围，促使光生电荷有效分离，以提高光量子效率和光催化剂的稳定性。文章介绍了TiO2掺杂前后的光催化作用机理。光生载流子的快速分离并快 速传递至催化剂表面是完成整个光催化反应的关键。光生载流子在传递至表面的过程中，经历多个变化途径，主要存在复合和输运/俘获两个相互竞争的过程，对光催化过程来说，只有俘获光激发载流子并与电子给体/受体发生作用才是有效的。因此抑制光生载流子的复合，提高界面电子转移速率常 数是改善光催化性能的有效方法。利用掺杂改性来提 高TiO2的光催化性能，其原因主要有以下两点：（1）形成电子和空穴的俘获阱，抑制光生电子和空穴复合；（2）产生杂质能级，减小TiO2带隙。文章综述了单一非金属元素掺杂TiO2的研究进展。单一非金属的掺杂主要集中在周期表中氧附近的元素，如B、C、N、S 等。对于非金属掺杂的机理，目前普遍认为是由于非金属中的p 轨道与O 的2p 轨道发生杂化后，TiO2价带宽化上移，禁带宽度相应减小，从而吸收可见光，产生光生载流子，进而提高其催化活性。文章也综述了非金属元素与其他元素共掺杂TiO2的研究进展。纵观各种已经发现的可见光响应催化剂，非金属元素特别是氮元素的阴离子掺杂是可以在不降低紫外光催化活性的基础上实现可见光响应的较好方法，但是单组分的掺杂很难同时提高这两方面的性能。因此研究者选择两种或多种离子对TiO2共掺杂改性，目的是期望利用共掺杂离子间的协同作用提供电子和空穴陷阱，抑制电子-空穴的复合，提高光催化活性；同时，利用各掺杂离子的优势互补来拓宽TiO2的吸收光谱范围，提高其在可见光下的光催化能力。共掺杂的研究也多围绕N 元素来开展，其中包括N&S、N&C、N&F、N&Gd 和N&C&S 等共掺杂。文章还对非金属掺杂TiO2的发展方向进行了展望，认为非金属元素掺杂TiO2的改性方法可以有效地将TiO2光谱响应范围拓展到可见光区，从而使其具有可见光催化活性。进一步研究可以从以下几个方面入手。（1）进一步改进其制备技术，降低成本，寻找更高效安全的掺杂方法。（2）掺杂机理、光催化反应机理以及多种非金属元素掺杂的协同效应研究。（3）在原料选择、制备方法、催化剂回收等方面做进一步的技术优化。综上所述，该文章期望能为高效TiO2光催化剂的研制与开发提供思路和依据。

来源出版物：材料导报,2015,29(1): 147-151

入选年份：2017

采用α-氨基膦酸酯从硫酸盐溶液中萃取回收铈（IV）和钍（IV）的研究

卢有彩，张志峰，李艳玲，等

摘要：目的：氟碳铈矿是一种重要的轻稀土资源，不仅所含的铈元素占总稀土的一半左右，而且还含有放射性钍元素。因此，对其中的铈和钍进行优先分离是提高稀土冶炼效率、从源头防止钍对环境的放射性污染的重要途径。本文通过在分子结构中引入氮原子的方法合成新型中性膦萃取剂Cextrant 230，进行萃取热力学的研究，探索该萃取剂从硫酸介质中优先分离铈和钍的性能和机理，并提出相应的氟碳铈矿分离工艺。方法：采用平衡萃取的方法研究Cextrant 230 萃取剂对铈钍及其他稀土元素的萃取性能与萃取热力学机理以及工业应用的可能性。首先，采用亚磷酸酯和甲醛、异辛胺反应合成Cextrant 230，利用气相色谱和核磁共振谱（NMR）等对萃取剂进行了表征。然后通过平衡萃取考察铈钍及其他稀土离子的萃取率随水相酸度改变的变化规律，并通过斜率法确定铈和钍的萃取机理；通过考察铈钍的萃取率随体系温度改变的变化规律，确定萃取反应的热力学参数；研究负载有机相中金属离子的反萃行为以及萃取剂的循环使用性能，在此基础上提出从氟碳铈矿中优先分离铈钍的工艺，考察铈钍的回收和分离情况。结果：Cextrant 230 具有从硫酸介质中萃取四价铈的优良性能，在所考察的酸度范围内对四价铈具有较高的萃取率，而同等条件下三价稀土基本不被萃取；在水相酸度＜1 mol/L H2SO4时，钍的萃取率与四价铈的相当，但随着水相酸度的升高，钍的萃取率迅速降低，从而可通过控制水相酸度实现四价铈和钍的萃取分离。四价铈和钍的萃合物分别为Ce（HSO4）2SO4·2L 和Th（HSO4）2SO4·L，铈的萃取过程是一个放热反应，而钍的萃取过程为一个吸热反应。萃入到有机相中的四价铈可通过将其还原为三价来实现反萃，而盐酸则是一种有效的钍的反萃剂。Cextrant 230 萃取剂具有良好的稳定性，经过50 次循环，该萃取剂的萃取容量基本没有变化，30% Cextrant 230对铈的萃取容量仍保持在30 g/L 以上。以氧化焙烧的氟碳铈矿硫酸浸出液为料液，优先萃取分离四价铈和钍的扩大试验获得了纯度分别大于99.9%和99%铈和钍产品，铈和钍的收率分别为92%和98%。结论：引入分子结构中的氮原子改变了萃取剂的性能、增强了萃取剂与四价铈和钍的结合能力，使得Cextrant 230 成为一种从硫酸介质中萃取四价铈和钍的高效萃取剂。其不仅可以实现对四价铈和钍的优先萃取，使四价铈和钍与三价稀土分离，而且通过调节水相酸度也可以实现对四价铈和钍的分离。萃取到有机相中的四价铈和钍可通过添加还原剂或盐酸实现高效反萃。该萃取剂性能稳定，适合于循环使用。采用该萃取剂可以对氟碳铈矿浸出液中的铈和钍进行优先萃取分离，料液中的其他组份对铈和钍的萃取及分离没有影响。

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

入选年份：2017