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【科学治霾,我们在行动】省自然科学一等奖是这样炼成的
[  来源:理学院    点击数:     更新时间:2017-04-06 ]
编者按

    ◆日前,中共中央、国务院印发通知,决定设立河北雄安新区。这是以习近平同志为核心的党中央作出的一项重大的历史性战略选择,是千年大计、国家大事。习近平指出,规划建设雄安新区要突出七个方面的重点任务。其中,第一项任务就是建设绿色智慧新城,建成国际一流、绿色、现代、智慧城市。

    ◆近日,省委、省政府出台《关于强力推进大气污染综合治理的意见》,提出坚持以人民为中心的发展思想,坚守生态和发展两条底线,以加快改善空气质量为核心,实施科学治霾、协同治霾、铁腕治霾,坚决打好蓝天保卫战。

    看,科学治霾,科大人已经在路上!

    科学探索•治霾治污
    

    大气污染和水污染是人类现在面临的主要环境问题。燃料油中含硫化合物是造成雾霾天气的原因之一,同时废水已经污染了中国近70%的河流,严重影响了人们的生活健康。而离子液体萃取氧化脱硫以及光催化氧化降解污染物被认为是当前最有发展潜力的环境净化技术。在此大背景下,河北科技大学理学院李发堂团队的研究基于金属离子配位化学原理,通过构建金属基配合物设计开发了高效、低成本的离子液体及氧化铝光催化剂等环境功能材料,并研究了材料的组成、结构、性能之间的关系,揭示了其萃取脱硫或光催化降解污染物机理。

    在离子液体萃取氧化脱硫方面,传统的加氢脱硫难以达到深度脱硫(<50 ppm)的要求,也容易使烯烃饱和而降低汽油辛烷值。李发堂教授团队成功开发了金属基季铵盐类离子液体,这种离子液体对噻吩类化合物萃取能力强并具有Lewis酸性,可以将传统的咪唑类离子液体的成本降低100余倍。该类离子液体可以很好地应用于燃料油萃取/氧化脱硫中,并且对烯烃不会造成影响,也不会降低汽油辛烷值。

    随后该团队发现将设计合成的新型离子液体加热到一定温度后能够燃烧、分解,形成固体材料,基于此首次提出了离子液体自燃烧概念及合成纳米材料的方法。该方法无需水的加入,加热过程中由于离子液体稳定的结构和极低的蒸汽压而不会使体系发生变化,质点始终在原子水平上均匀混合,因而合成材料粒径均匀,且由于短时间内大量气体的排出使材料形成多孔结构、比表面积大,且该方法快速、方便,2-3min内即可合成。利用此方法,该团队首次合成了具有α和β晶型的具有窄禁带宽度的可见光响应的混晶Fe2O3、LaFeO3等纳米材料并将其应用到燃料油光氧化脱硫中,效果显著。目前,此离子液体自燃烧合成的方法已获得国际认可,被认为是溶液燃烧合成的重要组成。挪威Chen教授在J. Mater. Chem. A (2013, 1, 7006–7011)提到LaFeO3合成时专门将“离子液体自燃烧”作为一种独立的合成方法与其他传统方法引用。

    在材料燃烧过程中,环境中氧气与材料表面原子氧是一种平衡状态,当环境为还原气氛时,材料表面氧原子就会逸出,形成表面氧空位,有利于光催化剂性能的提高。在此思路下,前人构建表面氧空位多为通过还原气氛后处理。该团队提出了以离子液体自燃烧原位构建表面氧空位的思路,通过调节燃料的种类及用量创建弱还原气氛,一步合成了具有氧空位的卤氧铋等材料。

    在离子液体自燃烧基础上拓展研究,团队制备了一种无定形的Al2O3 以及不同无定形含量的MgAl2O4纳米晶体材料,并首次发现所合成的这些材料竟然具有紫外光催化活性。无定形氧化铝的发现突破了传统晶体结晶度越高光催化活性越好的认识,为同类无定形材料的研究提供了借鉴。这一发现也为开发地壳储量丰富,廉价的Al元素在光催化领域的应用开辟了新的途径。

    科学的研究没有止境,紧紧围绕离子液体,该团队继续深入挖掘其科学价值。功夫不负有心人,在合成N-F-B共掺杂的TiO2光催化材料中,首次发现了离子液体在微波合成中具有自反应能力,自组装功能以及配位作用,这些功能减少了反应物的加入和副反应以及副产物的产生,提高了反应性能和产物纯度,有深入研究的科学价值;自组装作用使离子液体成为纳米材料生长的抑制剂,有利于小纳米颗粒的形成;另外发现后加热过程中离子液体的分解使气体逸出,有利于合成材料形成多孔结构,有利于污染物的吸附和光催化活性的提高。课题组还以金属氯化物和N-甲基吡咯烷酮等有机溶剂及季铵盐合成了离子液体,这种价格低廉的离子液体的合成,开创了有机溶剂配位无机盐合成离子液体的方法与思路,为离子液体的研究和应用探索了一条新的途径,为燃料油的萃取氧化脱硫的工业化提供了可能。

    凭借这一成果“基于金属离子配位的环境功能材料调控合成及其作用机制研究”,李发堂教授团队获2016年度河北省自然科学一等奖。

    李发堂教授在接受小科采访时说:“希望未来有一天,我们所研发的材料能够广泛地应用于现实生活,为人类的进步和发展作出贡献。”

团队的力量

    近些年,该团队先后承担国家自然科学基金项目4项、省自然科学基金项目3项,先后发表SCI论文近50 篇,被SCI引用1000余次。 其中1篇论文入选2015年度中国百篇最具影响国际学术论文,2篇论文曾入选 ESI 0.1%热点论文, 6 篇论文入选 ESI 1%高被引论文;被包括中科院院士韩布兴研究员、英国皇家学会会士Dupont教授、N-TiO2 研究开创者 Asahi 教授、著名材料学家余家国教授等多位本领域国际权威学者在 Chem. Rev., Energy Environ. Sci., Adv. Mater等知名期刊评述引用。另外已授权的发明专利 8 项,也表明了成果的原创性。

    李发堂教授作为团队带头人,先后获得2012 年度教育部新世纪优秀人才支持计划及 2015年度河北省杰出青年科学基金资助,入选 2015 年度河北省政府特殊津贴专家、2010 年度河北省高校百名优秀创新人才、2013 年度河北省三三三人才工程第二层次人才。团队成员王晓静博士获2015 年度河北省高等学校青年拔尖人才计划支持。培养的研究生有3名获得河北省优秀硕士论文、1名学生获河北省青少年科技创新奖。

作者:赵君     编辑:杨洋    
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