傾情新晶體材料科研

陳學(xué)安，1965年出生，北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副研究員。1991年在中科院化學(xué)所獲得博士學(xué)位后，留化學(xué)所工作四年。隨后在美國(guó)、德國(guó)、日本工作過7年半，獲得過德國(guó)洪堡基金會(huì)獎(jiǎng)學(xué)金、美國(guó)羅格斯大學(xué)化學(xué)系博士后、日本廣島大學(xué)助理教授等職位。于2003年7月起，受聘于北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。主要研究方向?yàn)樾戮w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。

北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的陳學(xué)安研究員，在材料學(xué)的科研領(lǐng)域里，進(jìn)行著不斷地探索和創(chuàng)新。

新型硼酸鹽氧化物的探索合成和晶體結(jié)構(gòu)研究

陳學(xué)安介紹，最近幾十年來，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，始終是科技界一個(gè)熱門課題。

陳學(xué)安和課題組承擔(dān)的國(guó)家基金項(xiàng)目，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，通過獲得多個(gè)具有非對(duì)稱中心結(jié)構(gòu)的化合物，對(duì)新型硼酸鹽功能材料進(jìn)行了探索。

通過幾年時(shí)間的探索，陳學(xué)安和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20多種，如：α、β-Zn3B2O6， Li0.48Na0.52ZnBO3， Zn8[(BO3)3O2(OH)3]， PbZn2(BO3)2， Na3MB5O10(M=Zn，Mg，Ca)， K2NaZnB5O10，Na2.18K0.82SrB5O10， NaSrB5O9，Bi2ZnB2O7， CaBiGaB2O7，CaB6O10，Sr2B16O26，(Pb3O)2(BO3)2MO4 (M=Cr，Mo)， Ba8(AlO1/2)10(BO3)12，PbBiBO4， BiCd3(AlO)3(BO3)4等，并對(duì)它們進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的研究。有關(guān)這些化合物的合成、結(jié)構(gòu)與性能的研究尚無文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，陳學(xué)安和課題組開展了這方面的研究，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360納米。CaBiGaB2O7的粉末倍頻效應(yīng)相當(dāng)于KDP的2倍，其吸收邊大約為427 納米，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。

陳學(xué)安對(duì)硼酸鹽體系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，制備得到了一系列新型硼酸鹽化合物，在國(guó)際學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了近30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，作為項(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20多次，這表明其研究工作受到了國(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

材料學(xué)的最大價(jià)值和落腳點(diǎn)就在于它的產(chǎn)業(yè)實(shí)踐和應(yīng)用，作為一個(gè)科研工作者，陳學(xué)安深知，科研創(chuàng)新只有始終緊貼生產(chǎn)實(shí)踐，并實(shí)實(shí)在在地指導(dǎo)實(shí)踐，才是科技工作的價(jià)值所在。

按照循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展模式，開發(fā)礦產(chǎn)資源，促進(jìn)資源的高效利用，強(qiáng)化廢棄物的綜合回收，變廢為寶，發(fā)掘自然資源的內(nèi)在價(jià)值，意義尤為重大。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。

經(jīng)過近一年多的試驗(yàn)，金川集團(tuán)有限公司尾礦中的鎳銅已可通過一定方法實(shí)現(xiàn)回收，但酸浸濾液中仍含有較高含量的鐵和鎂的難題始終難以解決。

陳學(xué)安通過研究認(rèn)為，尾礦中鐵含量很高，除鐵效果對(duì)鎳銅富集及鎳銅的品位有很大的影響，因此，需對(duì)除鐵工藝進(jìn)行研究。同時(shí)將鐵產(chǎn)品化可提高整個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，因此如何經(jīng)濟(jì)除鐵、鐵的合理資源化是項(xiàng)目研究的關(guān)鍵課題；此外，提取鎳、銅后的殘液再經(jīng)過回收鐵之后，其主要成分為硫酸鎂，硫酸鎂是重要的無機(jī)化工產(chǎn)品，如何從殘液中分離硫酸鎂以及如何將其開發(fā)成高附加值產(chǎn)品需做系統(tǒng)研究。

經(jīng)過近一年時(shí)間的努力，陳學(xué)安和課題組制訂了該項(xiàng)目的技術(shù)方案，并進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室研究。 經(jīng)檢驗(yàn)，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。課題組首先對(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/T2574-2009)的高純度鐵紅，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，通過趁熱過濾除去鈣，得到精制硫酸鎂溶液，最后經(jīng)過蒸發(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。

陳學(xué)安介紹，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)。后期工作主要是去金川公司進(jìn)行中試， 最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

立足科研，不斷地在探索中創(chuàng)新；緊貼實(shí)際，讓科技智慧為產(chǎn)業(yè)服務(wù)。科研征程無止境，不停探索著、奮斗著的陳學(xué)安依舊執(zhí)著地前行著。