匠心獨具 探索新材料領域——北京工業大學材料科學與工程學院副研究員陳學安

本刊記者 張 燕

匠心獨具 探索新材料領域
——北京工業大學材料科學與工程學院副研究員陳學安

本刊記者 張 燕

材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，與國民經濟建設、國防建設和人民生活密切相關。從上世紀70年代開始，人們就把信息、材料和能源譽為當代文明的三大支柱。80年代以高技術群為代表的新技術革命，又把新材料、信息技術和生物技術并列為新技術革命的重要標志。

新晶體材料作為高技術發展中不可或缺的環節之一，必須受到材料領域的高度重視。

陳學安，現任北京工業大學材料科學與工程學院副研究員。曾獲德國洪堡基金會獎學金、美國Rutgers大學化學系博士后、日本廣島大學助理教授等職位。2003年，他毅然回國工作，受聘于北京工業大學材料科學與工程學院。2006年，他憑借多年來的出色工作，入選北京市人才工程“中青年骨干教師培養計劃”。目前，他已經在國內外正式期刊上發表學術論文70余篇，其中約60篇被SCI收錄。

多年來的執著追求和刻苦鉆研，使他在新晶體材料的探索合成、晶體結構、光譜性質以及電子結構計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構研究

最近幾十年來，由于激光技術的不斷發展，具有非線性光學效應等功能的晶體材料在激光技術、光學通訊、光學數據存儲和光信號處理等方面得到了廣泛的應用，相繼地對晶體材料提出了各種新的要求，因此，除了對現有的晶體材料設法繼續提高質量或摻質改性外，研究晶體的組成，結構與性能間相互關系，探索尋找各類新型晶體材料始終是一個熱門課題。

國家自然科學基金項目——新型硼酸鹽氧化物的探索合成和晶體結構研究，是陳學安目前的在研項目。該項目將系統地探索合成結構中包含易形成畸變配位多面體的高價態過渡金屬離子（或者含有Bi3+,Pb2+等載有孤對電子的離子）的復合硼酸鹽，力爭獲得多個具有非對稱中心結構的化合物，從而探索合成出新型硼酸鹽功能材料。

通過幾年時間的探索，陳學安課題組使用高溫溶液緩慢降溫和固相反應相結合的方法，制備得到了一系列新型硼酸鹽化合物，共有二十多種，并對它們進行了結構和性能關系的研究。這些化合物的晶體結構體現了硼酸鹽結構的多樣性，但是關于這些化合物的合成、結構與性能的研究國際上尚無文獻報導，為此，課題組開展了這方面的研究，不僅豐富和發展了現有的硼酸鹽結構化學，而且對新型硼酸鹽功能材料的探索合成具有一定的指導意義，這項研究使課題組在硼酸鹽的合成和結構研究領域內有了一定的國際知名度。

在所發現的硼酸鹽中，BiCd3(AlO)3(BO3)4，Bi2ZnB2O7和CaBiGaB2O7具有非對稱中心結構，滿足作為壓電、熱釋電、鐵電和非線性光學等功能材料的先決條件，其中后兩種化合物由加拿大學者Barbier等人首先發現，但他們只給出了基于粉末衍射數據的粗略結構模型，課題組生長出單晶，并進行了精確的結構測定和系統的理論計算。Bi2ZnB2O7具有較強的粉末倍頻效應（其強度大約為KDP（KH2PO4）的4倍），理論計算表明，該材料在比較寬的頻率范圍內能夠實現相位匹配，UV漫反射光譜表明其吸收邊約為360nm。CaBiGaB2O7的粉末倍頻效應相當于KDP的2倍，其吸收邊大約為427nm，該材料也能實現相位匹配。Bi2ZnB2O7和CaBiGaB2O7是潛在的新型非線性光學晶體材料。如果能將其生長成大塊晶體，并制作成有用的器件應用于激光系統中，就會促進光電技術等高技術產業的發展，產生社會、經濟效益。

目前，該課題組已在國際學術刊物上發表了近三十篇論文，在固體化學領域產生了一定的國際影響。自2007年起，項目負責人為“Inorganic Chemistry”和“Journal of Solid State Chemistry”等國際著名學術刊物評審論文二十多次, 受到了國際同行的認可。

尾礦酸浸液中鐵和鎂分離技術研究及成果轉化與應用

溫家寶總理在視察甘肅蘭州金川科技園時提出要對礦產資源“吃干榨盡”，在尾礦的綜合利用和資源化的過程中，運用循環經濟模式指導回收利用工作，最大限度地發掘礦產資源，可獲得較高的經濟效益。

甘肅金川集團有限公司積極響應號召，經過一年多的反復試驗，該公司尾礦中的鎳銅已可通過一定方法實現回收，但酸浸濾液中仍含有較高含量的鐵和鎂，為了實現尾礦中資源的綜合利用，并提高其經濟性，該公司將“尾礦酸浸液中鐵和鎂分離技術研究”作為2010年重大科研課題。并最終由陳學安接棒，負責該項目的研究工作。

“尾礦酸浸液中鐵和鎂分離技術研究”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，實現礦產資源綜合利用，并要求所得產品符合化工產品行業標準，鐵和鎂的回收率不低于60%。

該項目研究過程中如何經濟除鐵以及鐵的合理資源化成為能否成功回收金屬的關鍵課題。此外，還要對如何從殘液中分離硫酸鎂以及如何將其開發成高附加值產品做系統研究。

經過檢驗，陳學安發現金川集團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+等雜質離子。這些雜質離子必須設法除去，否則會影響回收得到的鐵紅Fe2O3和MgSO4·7H2O產品純度。

為此，他們制定了切實可行的技術方案。

他們首先對酸浸液進行絮凝劑法除硅，再進行針鐵礦法沉鐵。對沉鐵所得的濾餅進行煅燒制備粗鐵紅，用一定濃度的稀酸對粗鐵紅進行酸洗除雜，得到了符合工業氧化鐵國家標準（HG/T 2574-2009)的高純度鐵紅，最終實現了鐵的回收和產品化。

尾礦酸浸液經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，再將溶液蒸發濃縮至硫酸鈣析出，通過趁熱過濾除去鈣，得到精制硫酸鎂溶液，最后經過蒸發、結晶、干燥等步驟，得到符合工業硫酸鎂國家標準（HG/T 2680-2009）規定的I類一等品質量指標的高純硫酸鎂產品，實現了鎂的回收和產品化。

目前，該項目的實驗室工作已經基本完成，鐵回收率85%，鎂回收率65%，達到驗收指標。后期工作將在金川集團公司進行中試，并最終實現產業化。

除了所承擔的科研項目外，陳學安也十分重視國際間的交流與合作。他同捷克物理學家Ali Reshak (Institute of Physical Biology, South Bohemia University, Nove Hrady 37333, Czech Republic)合作進行了硼酸鹽的合成、結構、光譜性質以及線性和非線性光學性能計算等研究。目前已經發表國際合作論文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”等國際著名學術期刊上，還有一些國際合作論文正在寫作中。