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王荣民教授课题组(2021年)在新型功能材料领域取得研究进展

【发布单位: 发布时间:2021-10-15 浏览量:1440


 近期(2021年),西北师范大学化学化工学院环境材料课题组(王荣民教授、何玉凤教授、宋鹏飞教授等)在新型抗菌材料、水处理材料、农用材料等领域取得一系列重要研究进展。代表性成果如下:

1. 新型抗菌功能材料的合成

 包括细菌、病毒在内的有害微生物防治,尤其是预防新冠病毒的传播,引起各国科学家们的高度关注。开发新型的抗菌材料是有效解决问题的重要途径之一。其中,具有抗菌功能的聚合物可用于多种用途的基材表面,如防腐、杀菌剂、水净化和食品储存等。

 首先,开展了特殊形貌阳离子聚合物Janus微球的合成及其在高效抗菌涂料的应用。以常见的丙烯酸酯类单体、苯乙烯单体及阳离子单体,水为溶剂,采用一锅无皂乳液聚合法,精确控制合成工艺与条件(表面活性剂、引发剂、温度、单体比例等因素),成功合成了具有广谱抗菌活性的黑莓形阳离子共聚物颗粒(BsCCP),并将BsCCP乳液加入到内墙涂层中,得到了BsCCP基涂料(BsCCP-C)(Scheme 1)。评价了其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性,讨论了其抗菌机制。发现BsCCP具有高效的抗菌活性,有望成为一种能够快速有效抵抗细菌繁殖的抗菌涂层材料。该成果以论文“Preparation of blackberry-shape cationic copolymer particles for highly effective antibacterial coatings发表在Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2021, 614, 126202.(化学2区,IF4.53);另一篇论文“Synthesis of cationic acrylate copolyvidone-iodine nanoparticles with double active centers and their antibacterial application发表在Nanoscale, 2020, 12, 21940-21950(工程I区,IF7.79)。第一作者为李雪梅(硕士研究生)。

      Scheme 1

 其次,进行了蠕虫状共聚物Janus微球的合成及高效抗菌活性复合材料的制备。采用悬浮聚合和界面聚合相结合的方式,亲水性的阳离子型丙烯酸酯(MaC)和疏水性的苯乙烯(St)为聚合单体,甲苯为合成Janus微球的软模板剂,成功合成了具有高效抗菌活性的蠕虫状共聚物Janus微球(PMS-WJMs)。然后将PMS-WJMs与银负载壳聚糖(Ag@CS)结合,制备了无机纳米微粒负载天然高分子/合成高分子(Ag@CS /PMS-WJMs)复合材料(Scheme 2),目的是作为一种新型的双活性抗菌材料,用于抑制细菌的感染和繁殖。考察了合成材料的抗菌活性,发现合成的PMS-WJMsAg@CS/PMS-WJMs对典型的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌显示出良好的抗菌活性。制备的PMS-WJMsAg@CS/PMS-WJMs能被用作抑制细菌感染和繁殖的新型抗菌材料,抗菌蠕虫状聚合物颗粒在新型界面材料的制中具有重要的意义。该成果以论文“Synthesis of Ag@chitosan/copolymer with dual-active centers for high antibacterial activity发表在International Journal of Biological Macromolecules, 2021, 174: 198-206(高分子科学1区,IF6.95),第一作者为王斌(博士研究生)。另一篇论文“Antimicrobial Cationic Acrylate-based Hybrid Coatings against Microorganism Contamination发表在Progress in Organic Coatings, 2020, 142: 105576(材料科学I区,IF5.16)。王发伟(硕士研究生)和王斌(博士研究生)为共同第一作者。

Scheme 2

2. 用于水中有机污染物处理的光催化材料的合成

 首先,充分利用MOFs材料中UiO-66具有高比表面积、大孔隙率、高热稳定性、化学稳定性、优异的水中结构稳定性和显着的强酸性、中等碱度的耐受性等特点,通过简单的水热反应构筑了一种高光催化活性的花状杂合体异质结材料,为医疗废水的光催化处理提供了一种新思路。通过将UiO-66分散到MoS2的前驱体溶液中,在水热反应过程中经过静电诱导自组装构建花状杂合体材料(Scheme 3)。之后,将其应用于医疗废水抗生素的降解,同时通过ICP-MS对杂合体光催化剂中金属离子的溶出进行了检测,并结合自由基捕获实验探讨了花状UiO-66@MoS2杂合体的光降解机理。发现所制备的光催化材料不但具有高的催化活性,而且可循环使用。

 其次,利用高分子效应,在油包水乳液中包覆BiOBr前驱体溶液,再通过水热反应构建超薄纳米圆片(Scheme 4)。并将其应用于有机物的降解,在提升降解率的同时,还提高了传统BiOBr的循环稳定性。最后通过M-K电负性定义理论方程计算了超薄纳米圆片的带隙能和导带能,并结合自由基捕获实验探讨了BiOBr超薄纳米圆片的降解机理。利用高分子效应调控BiOBr的尺寸,构筑了比表面积更大且具有光降解活性的超薄纳米圆片,为设计和制备高效、可回收、高光响应的光催化材料净化废水提供了一些新思路。成果以论文“Construction of UiO-66@Flower-like MoS2 hybrids through electrostatically induced self-assembly with enhanced photodegradation activity towards Lomefloxacin Chemosphere发表在Separation and Purification Technology, 2021, 265: 118486(工程I区,IF7.312)。高娣(硕士研究生)和张亚苹(博士研究生)为共同第一作者。另一篇论文“Facile Construction of BiOBr Ultra-thin Nano-roundels for Dramatically Enhancing Photocatalytic Activity”发表在Journal of Environmental Management, 2021, 299, 113636(环境科学与生态学2区,IF6.79)。第一作者张亚苹(博士研究生)。



Scheme 3

 


Scheme 4


3. 新型农用材料的合成

 以廉价的黄土微粒(Lo)为原料,采用碱激发法制备多孔黄土基地质聚合物(Lo-GP),进一步以Lo-GP作为农业肥料载体,以天然高分子、生物相容性高分子为凝胶包膜材料,将尿素进行包封,通过硼酸作为交联剂形成凝胶体,合成了一种廉价环保且能缓释肥料的多孔地质聚合物复合凝胶材料。发现其具有吸水、保水性能、土壤酸碱性调节性能;对氮肥具有较好的缓释效果,而且对植物具有促进生长作用。因此可以推广应用于农业肥料缓释中。成果论文“Porous Geopolymer Based Ecofriendly Multifunctional Slow-Release Fertilizers for Promoting Plant Growth”发表在Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2021, 631. 167646(化学2区,IF4.53)。闫海彦、朱新华为共同第一作者(硕士研究生)。


Scheme 5




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