曹文斌:从SARS到新冠肺炎 看消杀材料的进化1
发布时间:2021-08-03 10:21

  拥有一款可以自动杀菌消毒的口罩,恐怕是新冠肺炎疫情防控期间我们每一个人所想象甚至是奢望的,因为目前市面上绝大多数口罩都不具备这样的功能。

  然而,不为大多数人所知的是,得益于“光催化”新材料技术的发展,这样的口罩现在已经面世,这就是北京科技大学材料学院副院长、中国感光学会光催化专业委员会专家委员曹文斌带领研究团队所研发的新产品。168开彩网这款口罩采用了他们连续17年攻坚克难的研发成果,让口罩能够仅仅利用自然光线就能持续杀灭附着在表面的细菌病毒,避免二次污染。

  “光催化”功能的消毒杀菌材料并不是近期才出现的,早在2003年SARS病毒流行期间,就已经开始了对它的研究和应用。

  从SARS到今年暴发新冠肺炎疫情,已经过去了17年,消毒杀菌材料获得哪些发展?克服了哪些技术难题?应用情况如何?在5月27日《中国建材报》与北京市室内及车内环境净化协会联合主办的主题为“从SARS到新冠肺炎看消杀材料的净化”的网络直播节目中,曹文斌对此进行了解读。

  光催化原理是基于光催化剂在光照的条件下具有的氧化还原能力,从而达到净化污染物、物质合成和转化等目的。通常情况下,光催化氧化反应是在催化剂作用下,以光为能量,将有机物降解为二氧化碳和水,最终由光能转化为化学能,实现持续、广谱、安全的消毒杀菌。由于具有操作简单、能耗低、无二次污染、效率高等特性,光催化技术作为一种高效、安全的环境友好型环境净化技术,对室内空气质量的改善已得到广泛认可。

  “光催化材料与其他化学消毒方式的原理不一样,属于物理消毒,所有组成细菌、病毒等有害物质的有机物大分子的化学键,光催化反应都可以实现完全的破坏。”曹文斌介绍,日本有机构研究表明,在涂抹了纳米二氧化钛的玻璃片上放置SARS病毒并暴露在紫外光下,基本上15分钟内病毒就可以被完全分解。“由于光催化技术是可以杀灭SARS病毒的,这次的新冠病毒跟SARS病毒都属于冠状病毒,所以理论上来说,光催化技术也是可以杀灭新冠病毒的。”

  跟其他的消毒方式不一样,光催化消毒具有安全、广谱、长效等优势。比如说,相较于应用最广的酒精和84消毒液,二氧化钛基可见光光催化复合消毒液的安全表现在两个方面:首先,二氧化钛是一种可以用于食品添加剂的安全材料,目前作为食品和化妆品添加剂大量在用。其次,通过北京市疾控中心、中国检验检疫科学研究等单位进行的经口毒性、完整皮肤刺激、破损皮肤刺激等实验证明,材料安全无毒害。

  长效也表现在两个方面:一是光催化反应只是把光能传递出去,自身不被消耗,只要有光就可以持续杀灭各种细菌病毒,因此可以长期工作;二是光催化材料可以牢固负载在物体表面,从而持续发挥作用。

  常见的光催化剂多为金属氧化物和硫化物。其中,二氧化钛具有良好的抗光腐蚀性和催化活性,而且性能稳定、价廉易得、无毒无害,是目前公认的最佳光催化剂,也得到了最广泛的应用。

  “光催化反应过程确实可以说是很完美的反应过程,但是传统的二氧化钛光催化材料只能响应自然界及日常生活中很少的紫外光。”曹文斌介绍,由于二氧化钛只有在紫外光下才具有活性,那么如何实现二氧化钛在可见光下的响应就成为他的团队所攻关的目标。

  研究表明,氮掺杂能够明显延长二氧化钛的吸收光谱至可见光区。因此,曹文斌的研究课题的关键目标就是通过氮掺杂实现二氧化钛对可见光的响应,最终实现在所有可见光下持续杀灭有害物质。迄今为止,他们对这一课题的研究已持续了17年。

  17年前,在不到20平方米的实验室中,曹文斌对可见光响应纳米二氧化钛材料的科研之路从简陋的试管烧杯开始了。

  要实现纳米二氧化钛的可见光响应,对其进行掺杂以窄化带隙是必经之路。光是前期大量文献调研、通过系统理论模拟和大量实验验证来确定技术方案和技术路线年多的时间。在不断试错再纠偏的过程中,他们最终确定了“水热法+氮掺杂+二氧化钛”这一理论上“最理想”的技术路线。

  接下来,如何将氮元素掺杂入二氧化钛、如何突破传统所必须的高温热处理掺杂工艺以避免对纳米二氧化钛本身产生影响、合成工艺的确定、配套专用掺杂设备的开发等一系列的关卡陆续横在了曹文斌的面前。对此,他创新性地提出“低温水热合成与同步掺杂”理论,开发了三代低温水热合成装备,6年多的艰辛将理论转变为操作成功的现实。

  可见光材料的成功制备让团队欣喜的同时也给曹文斌带来了新的困惑,未来材料的产业化应用该如何走?

  曹文斌发现,无数轮的实验再实验,走到这一步也仅仅是完成了这项技术的中试。回想当初创新的初心,曹文斌团队毅然决然地走上了产业化应用这条荆棘丛生、更加艰难的路。经过广泛调研和反复论证后,曹文斌团队从围绕氮掺杂二氧化钛光催化剂得到广泛应用着手,确定了两大目标,一是缩短流程、简化工艺和降低成本,解决规模制造难题;二是解决纳米分散难题,实现材料的应用。

  “材料的规模化制备,我们无从参考,一切都是在摸索中前进的。”曹文斌回忆道,在这10年间,他们有30多位研究生前赴后继,挨个攻克技术难关,每一个环节的点滴突破都是以年为时间单位。

  “仅以一个环境温度对于规模化合成工艺稳定性的影响,我们就做了3年时间。第1年发现问题,第2年解决问题,第3年验证和完善解决问题,就这样我们完成了材料的规模制备。”功夫不负有心人,3年的坚持不懈最终获得了回报。国家863项目结题后,他们的成果成功入选了国家“十二五”科技创新成果展。

  由于高表面能的纳米粉体极易团聚,而团聚的粉体会严重影响光催化性能的发挥,因此,曹文斌的团队开始进行纳米粉体的分散难题的攻关。攻关期间,曹文斌的两个研究生花了两年时间研究,尝试了大量商业有机体系分散助剂,但却毫无进展,直到一个周末的下午,曹文斌带着两人做实验,“突然就解决了”。为此,整个团队激动不已。

  之后,研究团队顺风顺水地在中试线吨纳米分散液,准备进行实际应用研究。然而,一个偶然的事件几乎让大家绝望。

  一个小库房,一扇并不怎么起眼的小窗户,竟然让团队的最新成果光催化液“变质”了。然而,当大家都绝望的望着这些成果时,曹文斌说了一段话,让团队成员们又重新燃起了希望。

  他说:“我们用的有机分散剂被我们自己的光催化材料分解变质,这说明我们的材料性能很好,我们应该高兴才是,市售助剂不合适,我们可以自己做,没什么大不了的。”就这样,研究团队花了两年时间,在“十三五”重点研发计划资助下,采用了全新的无机络合物助剂结合原位分散技术,开发了纯无机的光催化抗菌净化喷剂产品,并成功应用于多款建材产品。

  回忆过去的研究历程,让团队成员感受最深刻的就是,量变积累到突然质变的兴奋瞬间不胜枚举。但几乎每次都是边心里打鼓边摸黑探索,走投无路又最终柳暗花明。

  目前,曹文斌团队研发出来的光催化新材料已经在功能型建材领域进行了实际应用。在“十三五”国家重点研发计划资助下,新材料成功用于多种室内装饰装修材料表面。曹文斌团队与北新建材联合开发了抗菌净化矿棉吸音板,并建成了年产300万平方米的示范生产线,产品成功应用于小汤山医院和中建材创新研究院等单位;团队自主开发了光催化抗菌净化炫晶板,在河南安阳建成了年产能为300万平方米的生产线,在包括广州第一医院等单位进行了示范应用。

  此外,曹文斌团队的研究成果还应用于长效消毒喷剂,他们与306医院在北京市重点课题资助下完成了临床试验研究,研究结果证明在ICU科和口腔科的消毒效果优于氯系消毒剂;他们研发的光催化复合喷剂等产品属于纯水性制剂,无气味、无刺激性,简单一喷就可以长效利用可见光杀灭各种细菌病毒,目前已进入北京友谊医院等单位进行应用。

  “科学的探究是永无止境的,我们项目组的研发工作也不会止步于此,关于可见光光催化技术的后续研发也会一直做下去,17年不是终结,甚至可能也只是刚刚开始。”曹文斌表示。

  “这次的新冠肺炎疫情,让我们停下来审视我们的技术,希望用我们已经很成熟的技术通过产品化,快速投入到防疫一线日,他的研发团队就在北京集结开始了项目攻关,希望可以在他们的核心技术——可见光光催化技术的基础上,非常迅速地推出几种防疫产品。

  针对特殊疫情下消毒工作量大、消毒用品缺乏的难题,曹文斌团队开发了医疗机构用消毒净化喷剂产品,可以通过简易喷涂进行消毒,并第一时间通过解放军306医院合作团队,捐赠可用于1万平方米的光催化净化液到武汉金银潭医院,解决消毒人员缺乏的难题,随后该材料成功用于湖北省多所医院和中小学。

  针对口罩购买难题,曹文斌团队接下来中关村防疫应急项目,花了一个月时间,进行可重复使用的防护口罩产品开发及量产,开发了高效的光催化抗菌口罩,1只口罩可以使用半个月以上。

  针对酒精、168开彩网84消毒液的携带及使用安全性问题,结合复工复学的实际情况,曹文斌团队开发了可随身携带的消毒产品,喷剂雾化好,纯水性无机制剂,在常见基材上可以均匀附着,有着良好的抗菌净化性能。他们第一时间生产后,就大量捐赠到防疫一线,包括各检查站点、高校及医疗机构。

  曹文斌团队还与相关单位联合开发了一款可用于口腔粘膜消毒且完全无刺激的新型手消毒液,无酒精,可以满足给儿童连续手消毒的需要。目前,他们的产品已经计划在包括医院、学校、养老机构、公共交通等领域进行推广应用,满足后续的防疫需求。

  “我们的社会要进步、要发展,都是依靠各行各业的的人付出自己的时间、精力坚守岗位。”曹文斌对自己的工作总结道,“只有这样,我们的生活才会越来越好,我们生存的这个世界也才越来越好。”

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