例2. 原位反应吸收有害气体（甲醛、 氨）层状复合功能材料的研制
环境污染现状：
• 煤烟型污染、光化学烟雾污染 室内空气污染 • 微生物、有害气体/成分、放（辐） 射性、可吸入固体微粒、噪音 有害气体 106亿美元，巨大产业
室内有害气体：甲醛
危害：刺激皮肤、呼吸/视觉器官、中枢神经；凝固 蛋白质、破坏细胞 致癌；染色体异常 发育、 生长、肝脏。 举例：0.6mg/M3, 流泪；60-120mg/M3，5-10 min. 严重 损害支气管、肺；口服10- 20ml，导致死亡 （“居室空气中甲醛卫生标准” ：0.08 mg/M3 ） 程度：北京：超标73.3%；杭州：79.1%（中消协，2002.8） 上海：成人家具达标率48%，儿童47%；4000元 16%，6000元以上48%。
研究思路
• 以国家战略需求为牵引 • 以产品设计模式为导向 • 以界面/结构调控为关键
A New Strategic Approach
Discovery-based Product Development
Time
Nanomaterials By Design
Applicationbased Problem Solving
研究背景
• 需求：甲醛、氨污染严重
• 方法：光催化、有机材料 • 方式: 甲醛释放后处理 • 创新： 原位反应吸收固定
甲醛原位吸收层状复合材料
磷酸氢锆
思 路: • 层间原位固定 • 功能复合组分
P
酸 OH
P
4E5A: 碱 OH
甲醛 4E5A(固定）
α- Zr(HPO4)2. H2O
关键1：α- Zr(HPO4)2. H2O制备
环境净化材料研究进展
陈运法 中国科学院过程工程所 2005.7.6研究生院
讲课内容选择
• 环境净化材料 • 有机-无机纳米复合材料 • 纳米组装与纳米结构材料 产品研发 + 科技内涵 + 过程工程
环境净化材料
环境净化材料: 针对环境问题, 用于消除/
修复/避免等功能,不产生二次污染/危害…
• 微生物：抗菌、除臭等 • 气 体：室内气体、工业废气等 • 液 体：废水处理、有毒溶液 • 固 体：固体废弃物/土壤修复等
室内有害气体：甲醛
来源：
（1）脲醛树脂胶人造板：胶合板、细木工板、中 密度纤维板和刨花板等； （2）装饰材料：贴墙布，贴墙纸，油漆和涂料管； （3）室内陈列及生活用品：家具、化纤地毯和泡 沫塑料、衣服等； （4）可燃烧材料：香烟及一些有机材料； （5）食品：米粉、豆腐、腐竹、粉丝、挂面、海 产品（防腐、凝固蛋白）。
研究示例1: 无机银离子抗菌材料
抗菌材料的发展背景
环境污染、细菌扩散、抗药细菌 抗菌材料/技术 清洁环境、自身健康、新的发展
发展背景
人类历史：与细菌/疾病抗争的历史
疾病死亡
1950-1980
细菌感染
疾（传染） 病 灾 难！
• • • • • • 14世纪：鼠疫、欧洲1/3人口 1950年：传染病死亡下降至10% 1980年：消灭天花，鼠疫、霍乱得到控制 1992年：印度霍乱 1996年：日本O-157 血性肠炎 1997年：“全球警惕，采取行动以防范新出现的 传染病”（世界卫生日主题） • 2000年：疯牛病、日本血印奶制品、香港禽流感 • 2001年：美国炭疽热事件….SARS….
对细菌如何处理？
• 杀菌：具有杀死微生物营养体和繁殖体的 作用 • 抑菌：有抑制微生物生长繁殖的作用 • 抗菌：同时具有杀菌和抑菌作用
需求：抗菌从一种手段到一种功能
各类无机抗菌材料的特点比较
品种
有 机 系
成分
有机 天然 铜系
优点
① 有即效性； ② 比较便宜。 ① 安全性能高 ① 安全性好； ② 可以混到金属中； ③ 比较便宜。 ① 抗菌效果好； ② 安全性好； ③ 耐热性好。 ① 安全性稍差； ② 抗菌性也稍差； ③ 有饮料用的实绩。 ① ② ③ ① ② ① ② ③
缺点 有效期短； 缺乏安全性； 耐热性差。 有效期极短； 耐热性差。 有颜色； 效果稍差； 有残留体内可能性
银系 无 机 系
① 价格贵； ② 加工/使用时有差色/ 变色可能性。 ① 对皮肤的刺激是一个 课题 ① ② ③ ④ 难加工； 无光照无效； 效果评价难； 效果再现性不好。
锌系
氧化 钛系
① 半永久性效果； ② 安全性好。
为何银离子无机抗菌？
• 银的抗菌能力优异
• 银离子的抗菌能力更加突出 • 耐热性、无毒副作用
不同金属离子对伤寒菌的最小发育阻止浓度（mol/dm-3） 金属离子 Ag+ Cu2+ Pb2+ Al3+ Ba2+ MIC 2.010-6 1.510-5 0.005 0.001 0.25 金属离子 Hg2+ Au2+ H+ Zn2+ Ca2+ MIC 2.010-6 1.210-4 0.001 0.001 0.5 金属离子 Cd2+ Co2+ Fe3+ Mn2+ Na+ MIC 6.010-5 1.210-4 0.001 0.12 1
研究进展
层状载体合成（专利：200410000629.2）
F/Zr <2.0; [H3PO4] >0.5M, 2-4h；70-80℃，产物收率> 95%，结晶好，团聚少，平均粒度3.9μm。
关键2：层间交换/组装工艺
文献： 直接在3E4A液体中完成，需要3天！
Time
Nanomaterial Development: Today
TODAY: Discovery-based Science
Hale Waihona Puke & Product Development
Discover novel nanostructures, nanoparticles, & nanomaterials through investigatorinitiated exploratory research on a broad range of materials
(a)回流法: ZrOCl2· 2O溶于盐酸，加至磷酸和盐 8H 酸混合液，得凝胶，放入磷酸中，回流2—7天； (b)水热法： 上述凝胶与磷酸混合，反应釜185℃水热 晶化1—7天；
(c)HF沉淀法：ZrOCl2· 2O溶液，加入HF和 H3PO4， 8H 80℃连续搅拌7天。
周期太长或水热条件，产业化困难 HF法产物结晶完整、如何缩短反应过程？
Manufacturing & Processing
Characterization Tools Fundamental Understanding & Synthesis
Modeling & Simulation
Accelerated Market Entry of Products Based on Nanomaterials By Design
银离子抗菌剂的制备方法
AgNO3 Ag

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可溶性玻璃
银离子抗菌剂的制备方法
离子交换
层状载体：沸石、蒙脱石等
层状结构材料
Graphite
层状结构材料
KC8 (Graphite + K+, Li+)
层状结构材料
Talc or Mg3Si4O10.(OH)2
LD50 > 2000 mg/Kg
东亚合成Navron 得到FDA认证
银系无机抗菌材料的特点
光照hv 2AgCl (2Ag+ + 2Cl-) 2Ag （黑色）+ Cl2 AgNO3 + 微量有机物 + 光 分解 AgO 不稳定 Ag2O 强氧化性，棕色
• • • •
银离子产品的变色现象
Determine nanomaterial properties (chemical, physical, and biological)
Identify potential uses of value
Assess commercial viability
Nanomaterials enter limited markets
功能与应用、传统与现代之间的耦合效应
抗菌功能组分
结果：实现规模化生产
性 能: 粉体：5 min金葡抑菌率>98.5% (日本15min) PET ：1h 抑菌率>99.5%(日本2h) 价 格：本品 280元/Kg；日同类产品 500/Kg 效 果：市场50%；测试标准
最新动态
• 纳米银粒子 • 有机-无机杂化/复合 • 其它离子（如Mg，Cl等）
S. aureus (IFO 12732) 1000 125 31.3 31.3
银系无机抗菌材料的特点
安全、无毒性：
对 人： As2+, Sb2+, Cd2+,Se2+ >> Hg2+>Zn2+>Cu2+>Ag+ 对细菌：As2+, Sb2+, Cd2+,Se2+ >> Hg2+> Ag+> Cu2+>Zn2+ （西野敦等，抗菌剂の科学，工业调查社，1996，p55）
微观调控2：结晶转化稳定机制
思路：B2O3形成液相、加快多相反应 MgOMg2+进入晶格，稳定结晶
加强固相扩散
B 2 O3 Ag+
+ 2+ Mg2+ Ag Mg 微观结构调控