本刊記者 張 燕

匠心獨(dú)具 探索新材料領(lǐng)域
——北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副研究員陳學(xué)安

本刊記者 張 燕

材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，與國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和人民生活密切相關(guān)。從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，人們就把信息、材料和能源譽(yù)為當(dāng)代文明的三大支柱。80年代以高技術(shù)群為代表的新技術(shù)革命，又把新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。

新晶體材料作為高技術(shù)發(fā)展中不可或缺的環(huán)節(jié)之一，必須受到材料領(lǐng)域的高度重視。

陳學(xué)安，現(xiàn)任北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副研究員。曾獲德國(guó)洪堡基金會(huì)獎(jiǎng)學(xué)金、美國(guó)Rutgers大學(xué)化學(xué)系博士后、日本廣島大學(xué)助理教授等職位。2003年，他毅然回國(guó)工作，受聘于北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。2006年，他憑借多年來(lái)的出色工作，入選北京市人才工程“中青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃”。目前，他已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外正式期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇，其中約60篇被SCI收錄。

多年來(lái)的執(zhí)著追求和刻苦鉆研，使他在新晶體材料的探索合成、晶體結(jié)構(gòu)、光譜性質(zhì)以及電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方面取得了一系列的研究成果。

新型硼酸鹽氧化物的探索合成和晶體結(jié)構(gòu)研究

最近幾十年來(lái)，由于激光技術(shù)的不斷發(fā)展，具有非線性光學(xué)效應(yīng)等功能的晶體材料在激光技術(shù)、光學(xué)通訊、光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和光信號(hào)處理等方面得到了廣泛的應(yīng)用，相繼地對(duì)晶體材料提出了各種新的要求，因此，除了對(duì)現(xiàn)有的晶體材料設(shè)法繼續(xù)提高質(zhì)量或摻質(zhì)改性外，研究晶體的組成，結(jié)構(gòu)與性能間相互關(guān)系，探索尋找各類新型晶體材料始終是一個(gè)熱門課題。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——新型硼酸鹽氧化物的探索合成和晶體結(jié)構(gòu)研究，是陳學(xué)安目前的在研項(xiàng)目。該項(xiàng)目將系統(tǒng)地探索合成結(jié)構(gòu)中包含易形成畸變配位多面體的高價(jià)態(tài)過(guò)渡金屬離子（或者含有Bi3+,Pb2+等載有孤對(duì)電子的離子）的復(fù)合硼酸鹽，力爭(zhēng)獲得多個(gè)具有非對(duì)稱中心結(jié)構(gòu)的化合物，從而探索合成出新型硼酸鹽功能材料。

通過(guò)幾年時(shí)間的探索，陳學(xué)安課題組使用高溫溶液緩慢降溫和固相反應(yīng)相結(jié)合的方法，制備得到了一系列新型硼酸鹽化合物，共有二十多種，并對(duì)它們進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的研究。這些化合物的晶體結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了硼酸鹽結(jié)構(gòu)的多樣性，但是關(guān)于這些化合物的合成、結(jié)構(gòu)與性能的研究國(guó)際上尚無(wú)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，為此，課題組開(kāi)展了這方面的研究，不僅豐富和發(fā)展了現(xiàn)有的硼酸鹽結(jié)構(gòu)化學(xué)，而且對(duì)新型硼酸鹽功能材料的探索合成具有一定的指導(dǎo)意義，這項(xiàng)研究使課題組在硼酸鹽的合成和結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域內(nèi)有了一定的國(guó)際知名度。

在所發(fā)現(xiàn)的硼酸鹽中，BiCd3(AlO)3(BO3)4，Bi2ZnB2O7和CaBiGaB2O7具有非對(duì)稱中心結(jié)構(gòu)，滿足作為壓電、熱釋電、鐵電和非線性光學(xué)等功能材料的先決條件，其中后兩種化合物由加拿大學(xué)者Barbier等人首先發(fā)現(xiàn)，但他們只給出了基于粉末衍射數(shù)據(jù)的粗略結(jié)構(gòu)模型，課題組生長(zhǎng)出單晶，并進(jìn)行了精確的結(jié)構(gòu)測(cè)定和系統(tǒng)的理論計(jì)算。Bi2ZnB2O7具有較強(qiáng)的粉末倍頻效應(yīng)（其強(qiáng)度大約為KDP（KH2PO4）的4倍），理論計(jì)算表明，該材料在比較寬的頻率范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)相位匹配，UV漫反射光譜表明其吸收邊約為360nm。CaBiGaB2O7的粉末倍頻效應(yīng)相當(dāng)于KDP的2倍，其吸收邊大約為427nm，該材料也能實(shí)現(xiàn)相位匹配。Bi2ZnB2O7和CaBiGaB2O7是潛在的新型非線性光學(xué)晶體材料。如果能將其生長(zhǎng)成大塊晶體，并制作成有用的器件應(yīng)用于激光系統(tǒng)中，就會(huì)促進(jìn)光電技術(shù)等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

目前，該課題組已在國(guó)際學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了近三十篇論文，在固體化學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生了一定的國(guó)際影響。自2007年起，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人為“Inorganic Chemistry”和“Journal of Solid State Chemistry”等國(guó)際著名學(xué)術(shù)刊物評(píng)審論文二十多次, 受到了國(guó)際同行的認(rèn)可。

尾礦酸浸液中鐵和鎂分離技術(shù)研究及成果轉(zhuǎn)化與應(yīng)用

溫家寶總理在視察甘肅蘭州金川科技園時(shí)提出要對(duì)礦產(chǎn)資源“吃干榨盡”，在尾礦的綜合利用和資源化的過(guò)程中，運(yùn)用循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式指導(dǎo)回收利用工作，最大限度地發(fā)掘礦產(chǎn)資源，可獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。

甘肅金川集團(tuán)有限公司積極響應(yīng)號(hào)召，經(jīng)過(guò)一年多的反復(fù)試驗(yàn)，該公司尾礦中的鎳銅已可通過(guò)一定方法實(shí)現(xiàn)回收，但酸浸濾液中仍含有較高含量的鐵和鎂，為了實(shí)現(xiàn)尾礦中資源的綜合利用，并提高其經(jīng)濟(jì)性，該公司將“尾礦酸浸液中鐵和鎂分離技術(shù)研究”作為2010年重大科研課題。并最終由陳學(xué)安接棒，負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的研究工作。

“尾礦酸浸液中鐵和鎂分離技術(shù)研究”旨在從金川公司尾礦酸浸液中提取分離鐵和鎂并制得鐵紅Fe2O3、MgO和MgSO4·7H2O，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源綜合利用，并要求所得產(chǎn)品符合化工產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，鐵和鎂的回收率不低于60%。

該項(xiàng)目研究過(guò)程中如何經(jīng)濟(jì)除鐵以及鐵的合理資源化成為能否成功回收金屬的關(guān)鍵課題。此外，還要對(duì)如何從殘液中分離硫酸鎂以及如何將其開(kāi)發(fā)成高附加值產(chǎn)品做系統(tǒng)研究。

經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，陳學(xué)安發(fā)現(xiàn)金川集團(tuán)公司提供的尾礦酸浸液中除含有較高濃度的Fe2+和Mg2+離子外，還含有一定量的Na+、Ca2+、Mn2+和Si4+等雜質(zhì)離子。這些雜質(zhì)離子必須設(shè)法除去，否則會(huì)影響回收得到的鐵紅Fe2O3和MgSO4·7H2O產(chǎn)品純度。

為此，他們制定了切實(shí)可行的技術(shù)方案。

他們首先對(duì)酸浸液進(jìn)行絮凝劑法除硅，再進(jìn)行針鐵礦法沉鐵。對(duì)沉鐵所得的濾餅進(jìn)行煅燒制備粗鐵紅，用一定濃度的稀酸對(duì)粗鐵紅進(jìn)行酸洗除雜，得到了符合工業(yè)氧化鐵國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（HG/T 2574-2009)的高純度鐵紅，最終實(shí)現(xiàn)了鐵的回收和產(chǎn)品化。

尾礦酸浸液經(jīng)除鐵后得到粗制硫酸鎂溶液，加入氧化劑將Mn2+氧化成MnO2沉淀除去，再將溶液蒸發(fā)濃縮至硫酸鈣析出，通過(guò)趁熱過(guò)濾除去鈣，得到精制硫酸鎂溶液，最后經(jīng)過(guò)蒸發(fā)、結(jié)晶、干燥等步驟，得到符合工業(yè)硫酸鎂國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（HG/T 2680-2009）規(guī)定的I類一等品質(zhì)量指標(biāo)的高純硫酸鎂產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了鎂的回收和產(chǎn)品化。

目前，該項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)室工作已經(jīng)基本完成，鐵回收率85%，鎂回收率65%，達(dá)到驗(yàn)收指標(biāo)。后期工作將在金川集團(tuán)公司進(jìn)行中試，并最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

除了所承擔(dān)的科研項(xiàng)目外，陳學(xué)安也十分重視國(guó)際間的交流與合作。他同捷克物理學(xué)家Ali Reshak (Institute of Physical Biology, South Bohemia University, Nove Hrady 37333, Czech Republic)合作進(jìn)行了硼酸鹽的合成、結(jié)構(gòu)、光譜性質(zhì)以及線性和非線性光學(xué)性能計(jì)算等研究。目前已經(jīng)發(fā)表國(guó)際合作論文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”等國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊上，還有一些國(guó)際合作論文正在寫作中。