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ChemNanoMat: 晶面限域生长氢氧化钙,实现国宝壁画有效加固

ASNChina AdvancedScienceNews 2022-05-03

为了尽可能的保护日益老化的文化遗产,研究者们研发出各种各样的有机和无机保护材料。有机材料使用较早,如聚丙烯酸树脂、有机硅等已经被大量应用于受损壁画和风化石质文物的加固中。然而,有机材料与文物本体的兼容性差且易老化变色,会导致其机械性能下降。另外,有机材料进入文物后会形成不透气的膜,会严重阻碍壁画与外界的水汽交换,导致壁画膨胀、碎裂。无机材料因其极好的兼容性和耐老化性在很大程度上克服了有机材料的缺点,逐渐受到研究者关注。氢氧化钙(Ca(OH)2)是目前最具代表性的一种无机文物保护材料。与块体材料相比,纳米Ca(OH)2具有好的渗透性和高的CO2反应活性,可以保证Ca(OH)2快速碳化、获得高的碳化度,从而实现对文物的有效加固。因此,在过去二十年间,研究者们尝试了各种方法来合成纳米Ca(OH)2。然而,到目前为止,这些方法仍然存在耗能大、成本高、耗时或操作复杂的缺点。

针对以上问题,西北工业大学纳米能源材料研究中心李炫华教授和美国特拉华大学魏秉庆教授的研究团队采用表面活性剂分子控制晶体生长的方法合成纳米Ca(OH)2~90 nm)。这一方法在常温常压下进行、简便、成本低、产率高(99.3%)、并且反应迅速、可在数秒内完成。在该研究中,研究者选取辛基苯基聚氧乙烯醚(OPPE)和二甲基甲酰胺(DMF)为表面活性剂,研究发现,随着OPPE含量的增加,Ca(OH)2的厚度逐渐减小;随着DMF含量的增加,Ca(OH)2的直径逐渐减小;同时加入OPPEDMFCa(OH)2的直径和厚度同时减小,通过优化二者的比例和含量可以得到纳米尺寸的Ca(OH)2。密度泛函理论的计算结果显示,OPPE优先吸附在Ca(OH)2的(0001)面(直径方向),而DMF优先吸附在Ca(OH)2的(`1010)面(厚度方向)。因此,在加入二者之后,Ca(OH)2晶体的生长在(0001)面和(`1010)面会同时受到抑制,限制其晶体的生长,从而高效合成了纳米尺寸的Ca(OH)2

 

将采用此方法合成的纳米Ca(OH)2加固节愍太子墓壁画(距今1300多年)结果显示,纳米Ca(OH)2不仅在壁画中具有极好的渗透性、大幅提高壁画的强度,而且对壁画本身的颜色,孔径分布和孔隙率都不会造成明显的影响。该工作将极大促进纳米Ca(OH)2的工业化生产及其在文化遗产保护中的应用。

相关工作已申请国家发明专利, 研究成果以“Tuning theDimensionality of Nano Ca(OH)2 with Surfactants for Wall PaintingConsolidation”为题发表在ChemNanoMatDOI: 10.1002/cnma.201900333)。论文第一作者为西北工业大学博士研究生朱金萌,通讯作者为西北工业大学李炫华教授和美国特拉华大学魏秉庆教授。

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Chemistry – An Asian Journal MOF 专刊即将上线,敬请关注和期待!


作为多孔材料的明日之星,金属有机框架(MOF)材料因其具备高比表面积,规则有序和可调的孔径大小和形状,以及易功能化和修饰化等特点,成为非常有应用前景的多功能材料。而关于它的研究进展和突破也是近年来化学和材料领域最重要的事件之一。

 

90年代末,MOF材料稳定的多孔性被Yaghi和Kitagawa(现任Chemistry – An Asian Journal编委会主席)等科学团队发现和建立,从而极大地促进这类材料的快速发展和应用。在过去十几年间,大量来自不同领域的科学家致力于发展和探索MOF材料在不同领域的应用,例如气体吸附,气体分离与存储,参与催化反应,传感器应用,药物分子传送等,取得了令人瞩目的进展。


最近,Chemistry– An Asian Journal编辑团队,非常荣幸的邀请到了四位MOF领域做出杰出贡献的科学家担任MOF专刊的客座编辑,他(她)们分别是日本AIST-京都大学化学能源材料开放创新实验室(ChEM-OIL)主任,扬州大学徐强教授(徐强教授同时也是欧洲科学院院士,2012年获得汤姆森路透社前沿研究奖,2014~2017年被汤姆森路透社评为化学和工程两个领域的高被引频科学家),美国加利福尼亚大学的Pingyun Feng教授德国TU Dresden的Stefan Kaskel教授印度Institute of Technology Kanpur的Parimal KantiBharadwaj教授

 

同时还得到了大批相关领域科学家的鼎力支持,我们Chemistry– An Asian Journal编辑团队正在为大家遴选,整理并发表这期关于MOF的专刊。本专刊计划于2019年9月正式完成并推出,但是我们陆续遴选收录的研究论文和综述将会在第一时间在我们的期刊网站上线,以供大家的阅读。

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亚洲化学编辑协会以出版期刊“Chemistry - An Asian Journal”的形式首次创立了亚洲的共同平台,便于汇集各国的力量出版一流的研究成果。它的宗旨是建立一个现代的、全球性的出版概念,一方面支持本土研究,另一方面也推动研究领域的国际化。 

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