[發明專利]源于生物質的光催化材料及制備方法

無效

• 申請號: 200910116298.1
• 申請日: 2009-03-06
• 公開（公告）號: CN101690901A
• 公開（公告）日: 2010-04-07
• 發明（設計）人: 馬歡;劉士清;吳躍進;劉偉偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院等離子體物理研究所
• 主分類號: B01J37/08
• 分類號: B01J37/08;C02F1/00;A62D3/00;A62D101/20
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明所屬可持續再生與發展資源、能源及先進材料制備的技術領域。涉及生物質資源學、材料科學、環境科學、以及太陽能利用、光催化技術和環境保護等多個學科交叉領域的相關技術，主要涉及一種能夠大規模利用天然有機體生物質資源制備具有特殊功能和天然結構的無機材料的技術。

技術背景

1972年第一篇有關光催化劑的研究論文發表后，世界各國紛紛投入以TiO₂為主的第一代光催化劑研究中，但由于其禁帶較寬幾乎不能利用可見光，開發第二代能夠利用太陽光的光催化劑成為當前研究的熱點。1992年自Mobil公司首次合成介孔分子篩如MCM-41以來，液晶模板、聚合物模板等模板技術在介孔材料的制備中日新月異地廣泛應用。生物礦化是生命科學與化學、物理學和材料科學明顯的學科交叉與滲透點，研究并模仿生物礦化的過程可為人工合成具有特殊物理及化學性能的材料及智能材料開拓新視野。目前，國內已經有了制備反蛋白石結構的光子晶體材料，模擬生物礦化過程得到多種無機納米材料，以及人工肌肉和生物芯片構建的研究報道。

生物礦化物是一種特殊的生物材料，從細菌中的磁性體到珊瑚、貝殼、牙齒和骨頭，廣泛存在于生物界，并在生物體中承擔聽覺感受、重力感受、利用地球磁場導航、臨時儲存離子、硬化和強化特定生物組織等多種作用。生物礦化的奇特之處在于其過程是一個天然存在的高度控制過程，受生物機體內在機制調制，利用少量有機大分子操縱并完成分子的成核、生長，最后形成納米結構材料。可以實現從分子水平到介觀水平上對晶體形狀、大小、結構、位向和排列的精確控制和組裝，從而形成復雜的分級結構，具備特殊的光、磁和力學性能。如貝殼、牙齒、骨骼等，都是典型的生物礦物，硅藻土是最為大量與典型的生物合成礦物無機材料。雖然組成這些生物礦化材料的主要無機成分均廣泛存在于自然界中，甚至有的礦物質(如方解石、羥基磷灰石)從組成和結晶方式來看與巖石圈中相應的礦物都是相同的，但是一旦受控于這種特殊的生命過程，便具有常規材料所不可比擬的優點。Weiner和Addadj(1997)提出礦質相和有機相的作用是生物材料顯著力學特性的關鍵因素，這表明生物策略的高度智能性，使得本質上各向異性的一維大分子和礦質結構體自組裝產生各向同性的納米結構體。在生物系統中大分子同時控制晶體生長和通過吸附特殊專一晶面控制納米結構體的形狀，形成的納米結構體具有長程有序的特點。某些細菌細胞膜也不同程度發生礦化，細胞外膜含有規則排列的蛋白質分子，從而作為模板誘導礦化微結構納米材料合成。

植物有機體中生物礦化物的形成是新陳代謝作用的結果。植物界中無論裸子植物、被子植物，還是蕨類、藻類、地衣、苔蘚，都廣泛存在生物礦化現象。裸子植物中生物礦化常發生在細胞壁上或細胞壁內，被子植物則出現在細胞液泡內。植物組織產生的最主要的生物礦物有3種：草酸鈣、硅石和碳酸鈣。其中硅石廣泛存在于植物界數百個科的植物組織中，甚至幾乎所有的生物體內都含有生物礦化硅，也稱其為硅質體。它是生物體內除碳酸鹽外，含量第二多的礦物質，是很多生物體的骨架結構材料，甚至參與主要的新陳代謝過程(例如硅藻)。從進化樹進程來看，進化程度越高，硅與其它元素在植物中的結構與關系變得更加復雜多樣性，在量上卻是減少的，而鈣的量卻顯著增加，承擔的功能也變的極為復雜。從藻，地衣、蕨類、裸子植物到被子植物的變化情況就是如此。當然從這個角度，禾本科植物則成了一個特殊的喜硅分枝類型。大量實驗證明：生物礦化硅對于生物的生長發育存在許多有益作用。在植物體內，硅質體是作物重要的組成部分，有利于提高作物的光合效率，能增強作物對病蟲害的抵抗力，改善植株結構，增大植物強度與剛性，提高植物的抗逆性。

生物礦化物不同尋常的性能來源于在特定生物環境條件下，材料巧妙的組裝過程及其所具有的精細的微觀結構。這是其魅力所在，也啟發并引領人們開展了大量仿生材料的研究。目前，對于功能材料的制備主要為：人工合成具有特定尺寸、形貌、生長取向和復雜組裝形式的無機和無機-有機雜化材料，或者直接利用生物自身形成的天然模板催化誘導、自組裝生產有特殊作用的仿生材料。盡管研究取得了許多新的進展，但由于人類對于生物體奧秘的認知程度有限，很多材料的功能性遠不如生物體在其生命過程中形成的天然生物材料。因此，從生物體直接獲取天然材料，并探索和認知其結構與功能，是模仿自然界生物現象開發和合成納米新材料與新結構的重要前提。