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環(huán)保又耐造 稀土 “變” 出環(huán)保新顏料
2025-12-17 18:19:32
來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)  作者: 張?zhí)N 通訊員 田芮溪

近日,在天津某權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室里,一份檢測(cè)報(bào)告靜靜躺在案頭。報(bào)告顯示,一款全新研發(fā)的環(huán)保顏料不含鉛、汞、鎘等任何有毒重金屬,其色彩飽和度、耐高溫性和抗老化能力均優(yōu)于傳統(tǒng)產(chǎn)品。更令人矚目的是,這款產(chǎn)品大規(guī)模量產(chǎn)后的售價(jià)將比現(xiàn)有高端環(huán)保顏料降低60%以上,甚至低于部分含重金屬的傳統(tǒng)顏料。

這不是實(shí)驗(yàn)室里的空想,而是國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席科學(xué)家、國(guó)家高層次人才計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、大連民族大學(xué)董斌教授團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)五年攻關(guān)取得的科研突破。這項(xiàng)以“寬帶隙基質(zhì)+稀土摻雜”為核心的技術(shù)創(chuàng)新,不僅破解了全球工業(yè)顏料行業(yè)的難題,更憑借我國(guó)稀土資源優(yōu)勢(shì),開辟了“環(huán)保與經(jīng)濟(jì)兼得”的產(chǎn)業(yè)新路徑。12月16日,記者走進(jìn)大連民族大學(xué),探訪稀土研發(fā)新型顏料的創(chuàng)新密碼。

緣起:稀土研究者的環(huán)保初心

“我們團(tuán)隊(duì)原本是做稀土基礎(chǔ)研究的,與顏料研發(fā)看似毫不相干?!表?xiàng)目核心成員羅昔賢教授的將時(shí)間回憶拉回到2020年。彼時(shí),團(tuán)隊(duì)在整理稀土應(yīng)用文獻(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)無(wú)機(jī)顏料行業(yè)正面臨著一個(gè)難以調(diào)和的矛盾:大多數(shù)鮮艷的黃—紅系顏料都依賴重金屬化合物,這些物質(zhì)雖著色效果優(yōu)異,卻具有強(qiáng)毒性和蓄積性。

“紅鉛礦、朱砂、鉻黃這些傳統(tǒng)顏料,在制備和使用過(guò)程中會(huì)持續(xù)釋放有毒元素,通過(guò)呼吸、接觸等途徑進(jìn)入人體,侵蝕神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)和腎臟?!绷_昔賢解釋道,這些窄帶隙材料存在毒性高、穩(wěn)定性不足等固有缺陷,且種類極為稀少,發(fā)現(xiàn)新的窄帶隙著色顏料異常困難,尋找新的低毒高艷著色材料成為行業(yè)世界性難題。

一次偶然的實(shí)驗(yàn)觀察,讓團(tuán)隊(duì)看到了突破的希望?!拔覀?cè)谘芯肯⊥岭x子光學(xué)特性時(shí)發(fā)現(xiàn),某些稀土離子的f→d躍遷具有獨(dú)特的寬吸收特性,這與顏料的顯色原理高度契合?!绷_昔賢說(shuō),我國(guó)是稀土資源大國(guó),擁有豐富的稀土儲(chǔ)備,為研發(fā)低成本環(huán)保顏料提供了得天獨(dú)厚的資源基礎(chǔ)。

“既然稀土離子能實(shí)現(xiàn)顯色,又能避開重金屬毒性,為什么不試試用稀土研發(fā)新型顏料?”這個(gè)大膽的想法,讓這支科研團(tuán)隊(duì)正式踏上了環(huán)保顏料的研發(fā)之路。

攻關(guān):千次實(shí)驗(yàn)鑄就技術(shù)突破

“科研從來(lái)沒有捷徑,尤其是在全新的技術(shù)路線上摸索?!绷_昔賢坦言,項(xiàng)目啟動(dòng)之初,團(tuán)隊(duì)面臨著技術(shù)瓶頸、設(shè)備保障等多重挑戰(zhàn)。7名核心成員根據(jù)專業(yè)特長(zhǎng),劃分了測(cè)試分析、結(jié)果歸納、設(shè)備維護(hù)等專項(xiàng)小組,形成了高效協(xié)同的工作機(jī)制。

研發(fā)過(guò)程中,最大的挑戰(zhàn)來(lái)自稀土離子光學(xué)行為調(diào)控和色系飽和度優(yōu)化?!肮杷猁}材料結(jié)構(gòu)變化豐富,稀土離子摻雜后的晶格占位、能級(jí)躍遷規(guī)律難以把握?!绷_昔賢回憶,團(tuán)隊(duì)需要在成千上萬(wàn)種材料組合中篩選合適的寬帶隙基質(zhì),再通過(guò)調(diào)整晶體場(chǎng)強(qiáng)度、增加共價(jià)性,以此解決因吸光能力弱、輻射躍遷干擾導(dǎo)致呈色性隨不同輻照環(huán)境波動(dòng)大,不能直接作為著色顏料使用的固有缺陷。為了攻克這一難題,團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里度過(guò)了無(wú)數(shù)個(gè)不眠之夜。“僅稀土離子與基質(zhì)材料的匹配實(shí)驗(yàn),我們就做了上千次。”羅昔賢表示。

在成本控制方面,團(tuán)隊(duì)同樣實(shí)現(xiàn)了突破。硅鋁酸鹽是地殼中儲(chǔ)量最豐富的礦物之一,來(lái)源廣泛且價(jià)格低廉;而選用的稀土離子多為市場(chǎng)需求下降的元素,成本優(yōu)勢(shì)明顯?!斑@些材料的低成本特性,加上規(guī)模化生產(chǎn)帶來(lái)的邊際效益,讓我們有信心將售價(jià)降低60%以上。”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人董斌表示,這意味著環(huán)保顏料將不再是高端市場(chǎng)的“奢侈品”,而是能走進(jìn)普通消費(fèi)品的“日用品”。

展望:引領(lǐng)下一代顏料技術(shù)革命

“科研不僅要出成果,更要育新人?!痹陧?xiàng)目研發(fā)過(guò)程中,團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)持“以研育人”,讓學(xué)生在攻關(guān)一線錘煉本領(lǐng)。材料與化工領(lǐng)域研究生小崔就是其中的受益者,她在項(xiàng)目中負(fù)責(zé)顏料的基礎(chǔ)制備、純度測(cè)試和光譜表征工作。

“剛開始做高溫固相法合成實(shí)驗(yàn)時(shí),經(jīng)常因?yàn)闇囟瓤刂撇划?dāng)導(dǎo)致產(chǎn)品顏色偏差。”小崔回憶,參與項(xiàng)目研究的過(guò)程中,她學(xué)會(huì)了通過(guò)多變量條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),逐步掌握了溫度、時(shí)間、摻雜比例對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與顏色的影響規(guī)律。“經(jīng)過(guò)上百次實(shí)驗(yàn),我不僅熟練掌握了光譜分析技術(shù),還培養(yǎng)了系統(tǒng)性思維和問(wèn)題解決能力?!?/p>

羅昔賢認(rèn)為,“理論學(xué)習(xí)與科研實(shí)踐的深度融合,是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的關(guān)鍵?!彼灶伭铣噬珯C(jī)理為例,當(dāng)學(xué)生理解“顏料顏色是其互補(bǔ)色的視覺呈現(xiàn)”這一理論后,便引導(dǎo)他們通過(guò)反射光譜測(cè)量和色坐標(biāo)計(jì)算,將抽象理論轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)調(diào)控顏色的實(shí)踐能力。這種“從理論到實(shí)踐、再?gòu)膶?shí)踐到理論”的閉環(huán)培養(yǎng)模式,讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)了能力的螺旋式上升。

中國(guó)科學(xué)院院士徐紅星評(píng)價(jià):“新型稀土環(huán)保顏料的呈色策略突破了傳統(tǒng)顏料的局限,其出現(xiàn)及量產(chǎn)不僅解決了傳統(tǒng)顏料有毒性、環(huán)境污染等問(wèn)題,還在穩(wěn)定性和生產(chǎn)成本上展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì),將引領(lǐng)下一代顏料技術(shù)。”

對(duì)此,團(tuán)隊(duì)深知責(zé)任重大:“這一評(píng)價(jià)是肯定,更是鞭策。我們的技術(shù)不僅解決了行業(yè)痛點(diǎn),更開辟了新的發(fā)展方向?!痹谒麄兛磥?lái),新型環(huán)保顏料的普及將推動(dòng)整個(gè)顏料行業(yè)的技術(shù)變革,促使更多企業(yè)轉(zhuǎn)向綠色生產(chǎn),推動(dòng)環(huán)保科技與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合。

“科研成果不能只停留在論文里,要真正走進(jìn)市場(chǎng)、惠及民生?!边@是團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)守的理念。目前,團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了綠、黃、橙、紅四大色系的穩(wěn)定產(chǎn)出,并與大連金普新區(qū)達(dá)成初步合作意向,通過(guò)校地合作建立500噸級(jí)實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

團(tuán)隊(duì)的科研愿景不止于此。“下一步,我們計(jì)劃實(shí)現(xiàn)全色系覆蓋。在應(yīng)用性方面,將從建筑外墻、跑道、陶瓷、汽車涂料等與民生密切相關(guān)的領(lǐng)域切入,讓‘無(wú)毒替代’走進(jìn)普通消費(fèi)品領(lǐng)域?!倍笸嘎叮瑘F(tuán)隊(duì)還在探索稀土在X光檢測(cè)等醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用研究,努力解決更多“卡脖子”技術(shù)難題。

從實(shí)驗(yàn)室里的上千次實(shí)驗(yàn),到即將投產(chǎn)的500噸實(shí)驗(yàn)線;從稀土資源的創(chuàng)新應(yīng)用,到環(huán)保顏料的民生普及,這款承載著科研工作者初心與擔(dān)當(dāng)?shù)男滦铜h(huán)保顏料,正從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)線,從技術(shù)突破走向民生應(yīng)用。

(大連民族大學(xué)供圖)

編輯:韓夢(mèng)晨
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