环境修复材料课题组




环境修复材料国际研究中心简介

(欢迎感兴趣的同学加入我们,联系老师:梁老师  Tel: 13320889529)

一、)环境友好能源材料国家重点实验室简介

环境友好能源材料国家重点实验室(以下简称实验室)始建于2003年的先进建筑材料四川省重点实验室,历经15年发展与建设,2018年5月经中华人民共和国科学技术部批准为省部共建国家重点实验室,依托西南科技大学运行与管理。实验室现有固定人员65人,现有科研用房9000余平方米。仪器设备总值达5000余万元。近年来,承担国家、军口等各类项目200余项,科研经费1.7亿元。

实验室围绕建材行业、核工业、国防军工可持续发展中的材料基础理论与关键技术开展聚变裂变能利用的关键材料、核废物处理处置与辐射安全材料、能量的存储和转换机制、高效节能材料四个方向的科学研究和技术开发。

实验室在放射性废物固化处理、胶体纳米粒子界面结构表征、能量存储材料缺陷工程等方向取得了一系列原创研究成果,先后发表在Adv. Mater、Nano Energy等国际期刊;自主研发了新型极速闪烧高温陶瓷设备、固化体化学稳定性表征系统、金刚石薄膜CVD制备系统等系列仪器设备;实现了激光聚变靶丸关键材料的保障供给、氚防护手套生产应用、无机多孔保温隔热材料示范工程等工程技术开发。实验室已在核能利用关键材料、节能材料、能源新材料等领域取得一批较重要的科研成果,形成了一定的优势和特色,部分成果达到国内领先、国际先进水平,具有较好的研究基础。


二、环境修复材料国际研究中心

中心负责人晏敏皓研究员依托中国(绵阳)科技城国家级平台—— 环境友好能源材料国家重点实验室(西南科技大学),于2015负责建设国际科技创新与合作平台——“环境修复材料国际研究中心”截止20201月,中心已科研人11人,高级职称9人,博士后2(巴基斯坦、印度籍各一人)全日制在读博士研究生1人,全日制在读硕士研究生14(加纳籍两人)

 

11名科研人员中,有5位外籍非华裔人员,分别为

l 澳大利亚皇家化学学会特许化学家,四川省千人计划创新领军人才长期项目获得者——Mark Julian Henderson(澳大利亚籍)全职特聘教授

l 四川省千人计划青年长期项目获得者——Jeremie Courtois(法国籍)全职特聘副研究员

l 欧洲同步辐射光源ESRF科学委员会主席,法国公立曼恩大学物理系主任、终身制一等教授——Alain Gibaud(法国籍)兼职特聘教授

l 匈牙利科学院终身制高级研究员,布达佩斯中子中心BNC线站负责人——Almasy Laszlo(匈牙利籍)兼职特聘教授

l 法国化学学会副主席、法国公立格勒诺布尔大学博士生院院长、终身制教授——Guy Royal(法国籍)兼职特聘教授


中心以国家(地方)需求为牵引,致力于环境修复材料尤其是核废物高效处理处置新材料的前沿基础与应用基础研究。五年来,中心紧密围绕“科技创新、开放合作、人才培养”的方针,做出了如下工作:


2、近五年代表性学术论文

1) Bin Wang, Olivier Sandre, Kunzhou Wang, Haishan Shi, Kun Xiong, Yu-bin Huang, Tingting Wu, Minhao Yan*, Jérémie Courtois*, Auto-degradable and biocompatible superparamagnetic iron oxide nanoparticles/polypeptides colloidal polyion complexes with high density of magnetic material. Materials Science and Engineering: C. ( IF: 4.959, 二区) 104(2019):109920.

2) Ping Song, Qintang Li, László Almásy,b, Xianguo Tuo, Minhao Yan*, Mark J. Henderson. Fractionation of clay colloids and their synthetic utility in vanadium hydroxide-clay thin film formation. Applied Surface Science. (IF: 5.155, 一区Top) 481 (2019):90-98.

3) Wang Kunzhou, Wang Bin, Li Huailiang, Tuo Xianguo, Xiong Kun, Yan Minhao*, Courtois Jeremie*. Janus multi-responsive superparamagnetic nanoparticles functionalized with two on-demand and independently cleavable ligands for Actinide separation. Journal of Colloid and Interface Science. (IF: 6.361,二区) 538 (2019):546-558.

4) Kun Xiong, Kunzhou Wang, Lin Chen, Xinqing Wang, Qingbo Fan, Jeremie Courtois, Yuliang Liu, Xianguo Tuo* and Minhao Yan*. Heterostructured ZnFe2O4/Fe2TiO5/TiO2 Composite Nanotube Arrays with an Improved Photocatalysis Degradation Efficiency Under Simulated Sunlight Irradiation. Nano-Micro Letters (IF: 9.04,一区Top) 10 (2018):17.

5) Yangchun Leng, Qintang Li, Qiang Tian, Xiaoyuan Chen, László Almásy, Yuliang Liu, Guangai Sun, Xianguo Tuo, Minhao Yan* and Mark J. Henderson*. (Ce-Al)-oxide pillared bentonite: a high affinity sorbent for plutonium. Journal of Hazardous Materials. (IF: 7.65, 一区Top) 352(2018),121-129.

6) Hua Liang*, Zongchen Li, Daqiang Wu, Ke Dai, Luyao Zhong, Yonggang Liu, Minhao Yan*, Xianguo Tuo. Ortho-hydroxyl-oriented tandem-responsive diacylhydrazones with super sensitivity for Al3+ and subsequent potential recognition of Cu2+. Sensor and Actuators B:Chemical.(IF=6.39一区Top, 268(2018),62-69.

7) Xiaonan Gao, Yi Huang*, Yuancheng Teng, Minhao Yan*, Haibin Zhang, Xianguo Tuo, Shuming Peng. Fabrication and chemical durability of hot-pressed Na-bearing fluorapatite-type Ca8Sm1Na1(PO4)6F2 ceramic for immobilization of trivalent minor actinide. Journal of Nuclear Materials. (IF=2.83一区TOP), 507 (2018), 297-305. 

8) Shan Zhu, Yangchun Leng, Minhao Yan*, Xianguo Tuo*, Jianbo Tuo, László Almásy, Qiang Tian, Guangai Sun, Lin Zou, Qintang Li, Jérémie Courtois, Hong Zhang. Bare and polymer coated iron oxide superparamagnetic nanoparticles for effective removal of U (VI) from acidic and neutral aqueous medium. Applied Surface Science. ( IF: 5.155, 一区Top), 447 (2018), 381-387. 

9) Ana-Maria Putz, Kunzhou Wang, Adel Len, Jiri Plocek, Petr Bezdicka, Gennady P. Kopitsa, Tamara V. Khamova, Catalin Ianasi, Liviu Sacarescu,Zuzana Mitroova, Cecilia Savii, Minhao Yan*, László Almásy*. Mesoporous silica obtained with methyltriethoxysilane as co-precursor in alkaline medium. Applied Surface Science. (IF: 5.155, 一区Top), 424 (2017), 275–281.

10) Kun Xiong*, Tingting Wu, Qingbo Fan, Lin Chen, and Minhao Yan*. Novel Reduced Graphene Oxide/Zinc Silicate/Calcium Silicate Electroconductive Biocomposite for Stimulating Osteoporotic Bone Regeneration. ACS Applied Materials & Interfaces. (IF: 8.69, 一区Top), 9 (2017), 44356-44368.

3、科研(人才)项目

1) 应用小角散射技术研究地质处置介质粘土胶体与铀(VI)在水环境中的相互作用机制,U1932117,国家自然科学基金大学装置联合基金,2020.01-2022.1256万元,主持。

2) Pu-239在粘土岩地质处置环境中的水化学行为及迁移机理研究,41630646,国家自然科学基金重点项目(子课题)2017.01-2021.12,30万元,主持。 

3) Janus Magnetic Nanoparticles Functionalized with Multiple On-demand Cleavable Ligands for Actinides Separation,41650110481,国家自然科学基金国际(地区)合作项目,2017.01-2017.1217万元,主持。

4) 片层状纳米材料的结构调控与核素吸附性能研究, 已通过项目评审,四川省国际科技创新合作项目,2020.01-2022.12,30万元,主持。

5) Mark Julian Henderson,纳米化柱撑粘土的制备及对锕系核素的超吸附封存技术研究,18QR003,四川省千人计划创新领军人才长期项目,2018.01-2020.1250万元,主持。

6) Jeremie Courtios,"应激-激发"智能磁性纳米颗粒,16QR00301,四川省千人计划长期青年项目,2016.01-2018.1250万元,主持。

7) 高效铀238核素纳米吸附载体的设计及其萃取机理研究, 17zd318501,绵阳市“千英百团·军民融合”高层次创新人才项目,2017.10-2020.09,30万元,主持。

8) 高效锕系核素纳米吸附载体的设计及其萃取机理研究,16TD1107,四川省教育厅创新团队项目,2016.01-2018.1220万元,主持。

9) 基于超顺磁纳米颗粒的动态自洁表面,14ZS0101,留学回国人员科技活动择优资助-国家人社部重点类项目,2014.01-2016.1210万元,主持。

10) 超顺磁壳聚糖复合胶体材料—高效重金属与核废物离子吸附剂,2015JQ0039,四川省杰出青年科技基金,2015.01-2017.12。 13万元,主持。

 

4、特色研究平台

中心成员拥有较丰富的大科学装置前沿分析技术研究经验。自2016年始,依托自有的小角X射线散射装置Anton Paar, SAXSpace),联合英国散裂中子源(ISIS)以及匈牙利布达佩斯中子中心(BNC),建设并发展兼顾“区域特色”与“国际学术前沿” “小角散射技术研究合作平台” (图3),并与上海光源(SSRF)、绵阳中子研究堆(CMRR)密切合作(图4),旨在建立适合环境修复材料、特别是核废物处理处置材料的小角散射技术分析研究方法,从纳米至亚微米尺度研究材料与锕系元素(模拟元素)的界面行为与相互作用机制。

 

5、主办(承办)的国际(国内)学术会议

中心依托所在国家重点实验室,于2018年6月13-16日在西南科技大学成功主办“第一届材料科学与小角散射技术国际研讨会”,此次会议共有来自中国、法国、美国、英国、匈牙利、俄罗斯6个国家的专家学者50余人参会。会议旨在向国内外同行展示材料科学领域中的最新研究进展,促进小角散射技术在材料、环境、能源以及生命科学等诸多研究领域中的应用转化,为从事相关领域研究的科研工作者提供高水平、国际化的交流与合作平台,得到了国内外领域内专家们的高度认可与好评。


中心依托所在国家重点实验室,于2019年9月17-18日在中国(绵阳)科技城成功承办“第一届全国小角散射学术会议”。来自欧洲同步辐射主席/西南科技大学特聘教授Alain Gibaud、中国工程物理研究院核物理与化学研究所副所长龚建研究员、中国晶体学会小角散射专业学术委员会主席门永锋、法国国家科学研究院植物大分子研究中心Bruno Jean教授等65个国内外知名科研单位的专家学者150余人出席会议。本次会议以“小角散射技术”为主题,凸显其在前沿科学研究中的独特优势。与会学者充分利用此次盛会搭建的高水平合作平台,结合“大科学研究装置”“前沿测试分析方法”与“国家重大需求”“环境友好能源材料国家重点实验室的特色研究方向”等热点话题,展开了热烈而富有成效的研讨。


5、实质性国际交流与合作

 20181228日,协助所在单位成功申报“2018年四川省国际科技合作基地”。

 20187月12日,促成所在单位与法国格勒诺布尔大学集团(格勒诺布尔-阿尔卑斯大学)签订了官方合作协议备忘录。

      201712月11日,促成所在单位与匈牙利科学院维格纳物理研究所签订了官方合作框架协议。


6、人才培养

   截止目前,中心已培养全日制硕士研究生23名,指导本科生完成毕业设计50名。完成本科学生授课480学时,硕士研究生授课64学时,外籍硕士研究生授课48学时。

   中心接收一名巴基斯坦籍博士后Muhammd Shar Jhahan Khan和一名印度籍博士后Das Dhrubajyoti。全额派遣材料科学与工程专业硕士研究生曹世权(学号:7020180098)到法国格勒诺布尔大学进行为期3个月的访学;全额派遣材料科学与工程专业硕士研究生张建桥(学号:7020180092)到匈牙利科学院维格纳物理研究中心进行为期3个月的访学。


7、组织关怀

    中心成立以来,得到了所在国家重点实验室、所在单位、绵阳市委及四川省委相关部门的大力支持与关心关怀。2019年底,中心主任晏敏皓与和特聘专家Mark Julian HendersonJeremie Courtois三人不仅获得了“天府英才卡A类”、“绵州英才卡A类”的礼遇,中心更受到了王一宏副省长、元方市长的亲切慰问。

 

三、晏敏皓个人简介

晏敏皓,男,1979年生,四川绵阳人。研究员,博士生导师,留法十年,于2003年—2005年就读于法国公立曼恩大学(勒芒大学)“分子工程与功能材料”专业,并取得法国国家硕士学位;2005年—2008年继续于法国公立曼恩大学(勒芒大学)、法国国家科研中心“凝聚态物理”实验室“材料物理”专业攻读博士学位,取得法国国家博士学位;毕业之后,2008年—2010年于国际知名科研机构法国丹尼·狄德罗大学、法国国家科研中心“复杂系统与材料”实验室进行博士后深造;2010年—2013年于法国“纳米科学基金委”、法国原子能研究所“低温与纳米技术”实验室进行工作,任“经理”级研究员。2013年回国发展至今,现任环境友好能源材料国家重点实验室(西南科技大学)——“环境友好能源材料国际中心”主任、国家核技术工业应用工程技术研究中心副主任、四川长晏科技有限公司总经理、四川核清科技有限公司总经理、美国化学学会(ACS)会员、中国微纳米技术学会青年工作委员会委员、中国核学会锕系物理与化学分会理事、中国晶体学会小角散射专业委员会委员;并担任ACS Applied Materials & Interfaces , Journal of Hazardous Materials 等国际权威学术期刊审稿人。入选四川省海外高层次人才“百人计划”,四川省杰出青年科技基金获得者,中国科技城绵阳市“千英百团 军民融合高层次创新人才”,“科学中国人”2017年度人物,2019年产学研合作创新奖(个人)。作为第一或通讯作者,在ACS Applied Materials & Interfaces , Journal of Hazardous Materials ,Applied Surface Science 以及 Journal of Nuclear Materials 等国际权威学术期刊上发表SCI论文三十余篇。曾受邀参加国际著名学术会议并作相关成果的大会以及分会报告二十余次,并依托西南科技大学于2018年在四川绵阳成功主办“第一届绵阳小角散射技术国际研讨会”和2019年在四川绵阳举办“第一届全国小角散射学术会议”。获得国际合作项目两项,国家级项目六项,省部级项目五项。

为推动国内外的学术合作与交流,晏敏皓同志为西南科技大学全职引进澳大利亚籍专家Mark Henderson 教授(澳大利亚皇家化学学会特许化学家)和法国籍青年专家Jeremie Courtois 副研究员两名,并兼职引进匈牙利籍专家Almasy Laszlo 教授(匈牙利科学院终身制高级研究员,每年来华工作时间不少于6个月);兼职引进法国籍专家Alain Gibaud 终身教授(欧洲同步辐射中心科学委员会主席,每年来华工作时间不少于2个月);兼职引进法国籍专家Guy Royal 终身教授(法国化学学会副主席,每年来华工作时间不少于2个月)。其中Jeremie Courtois 副研究员于2016年获得四川省青年千人计划资助,Mark Henderson 教授于2017 年获得四川省千人计划创新领军人才长期项目。

晏敏皓研究员带领团队在核废物安全处理领域深耕多年后,带着一系列国际领先的原创技术,着手开展成果转化和产业化推进。于2019年4月成立四川长晏科技有限公司,公司针对放射性废液尤其是高放废液中的痛点与难点,设计出在极端环境(高酸、高放射性、高离子浓度)下,高效、高选择性吸附/萃取高放射性元素(钚、镅等)的新材料,并实现了工业化量产,获得“第八届中国创新创业大赛优秀企业”荣誉称号。


四、开展工作

1、利用国际尖端大科学装置在微介观层面开展原创研究

项目组成员拥有丰富的大科学装置一线研究经验,在该领域拥有较好的学术成果与较高的学术影响力。与国内外尖端大科学装置密切合作,建立了适合环境修复材料、特别是核废物处理处置材料的小角散射技术分析研究方法,开创性、系统性的从纳米至亚微米尺度研究材料与锕系核素(模拟核素)的界面行为与相互作用机制。借助同步辐射SAXS技术的超高时间与空间分辨能力,联用自主设计的动力学装置,从繁杂的参数与数据中剥茧抽丝,探究锕系核素与材料的相互作用机理机制及其在核废物处置场址迁移的核心驱动机制。

利用国内外大科学装置以及自有的实验室级小角X射线散射仪(Anton Paar, SAXSpace)原位分析胶体纳米粒子在低维度材料中的微结构与界面结构信息,并查明了纳米粒子组装过程中的动力学机制。以此为基础,本项目进一步完善了在纳米尺度下,胶体纳米颗粒与有机大分子的相互作用机制研究。原创性的提出了更加有效与实用的静电络合组装方式(见图11)。并系统的研究了胶体纳米粒子在不同pH环境下与铀酰离子及铀(VI)天然胶体的相互作用(见图12)。相关学术成果发表于ACS Applied Materials & Interfaces; Soft Matter; Journal of Colloid and Interface Science等国际知名学术期刊。此外,项目组人员长期受邀为ACS Applied Materials & Interfaces; Soft Matter及Journal of Colloid and Interface Science等胶体与界面领域国际权威期刊审稿。


2、利用国际首创技术完成对天然矿物进行纳米结构化改性

本项目采用国际首创技术,对中国高放废物处置库地质介质粘土材料进行人工纳米改性,在极大增加其比表面积的同时,加固材料微观结构,并借助相关SAS技术分析该改性粘土材料微结构与239Pu核素固化吸附能力的耦合关系(见图13)。利用英国散裂中子源(ISIS)、匈牙利布达佩斯中子源(BNC)、上海光源(SSRF)与中国工程物理研究院绵阳中子源(CMRR)等大科学装置,以及团队配备的小角X射线散射仪研究纳米尺度下,239Pu核素及其替代核素在环境介质粘土材料中的界面结构特征与动力学机制,探究239Pu核素迁移的本源(见图14)。同时,相关学术成果发表于Journal of Hazardous Materials、Journal of Nuclear Materials、Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry等领域内权威学术期刊。

  

3、粘土胶体的分离及其在氢氧化钒-粘土复合薄膜合成中的作用

锕系核素在自然水环境中与矿物表面相关最重要的价态是四价(IV)氧化态。锕系(IV) - 矿物的相互作用对高放核素的迁移具有重要的影响,可选择钒(IV)作为锕系(IV)的替代核素。开展钒(IV)与天然地质粘土的相互作用与界面行为研究不仅具有基础科学意义,还可对锕系(IV)的相关研究起到指导作用。迄今为止,国内外关于水溶液中钒(IV)与粘土相互作用的研究报道并不多见。本项目利用掠入射X射线散射技术(GI-SWAXS)结合原子力显微镜(AFM)与X射线反射技术(XRR)等手段,系统研究了Al13- 或(Ce-Al)柱撑粘土与水解钒(IV)在水溶液中形成的氢氧化钒/矿物胶体复合薄膜。结果表明稳定的粘土胶体来自天然粘土的一部分。粘土胶体中有机物质和次生矿物限制了片晶的溶胀能力,片晶取向为连续,其不能被铝阳离子嵌入。针对该胶体薄膜的研究对于理解水环境中的锕系核素(VI)与天然地质粘土的相互作用与界面行为具有潜在的应用价值。


4、基于紫罗碱单体的金属配位聚合物胶体颗粒的氧化还原响应研究

“应激-激发”超分子与超分子材料的设计是目前非常活跃的研究领域之一。在种类繁多的超分子配位聚合物中,金属离子通过配位键与有机配体而形成的金属配位聚合物材料,在外部环境影响(光、温度、氧化还原电位差、力学刺激等)下,通过分子层面的结构响应,可表现出异于传统材料的功能化特性,如电致变色、溶胶-凝胶可逆转换以及自修复等性能。此外,作为桥接的有机配体本身还可作为可切换的分子组件,从而实现更加灵活多变分子组装与功能化设计。

本项目围绕金属超分子聚合物在1)自组装材料/器件功能化;2)基于镧、锕系金属离子的新体系探索等领域开展研究。利用含双-紫罗碱单体合成超分子配位聚合物胶体颗粒,研究了其氧化还原的动态响应行为。该有机配体由两个紫罗碱(N,N’-二烷基-4,4’-联吡啶鎓,V2+)桥接两个三联吡啶(2,2’,6,2’’-三联吡啶),紫罗碱之间由乙基(L2)或正丙基(L3)连接形成。在Ln溶液中添加1mol当量的Zn2+后,金属离子与有机配体自发形成具有高缔合常数超分子聚合物。通过电化学或化学方法用1e-还原V2+单元,其相应的自由基阳离子(V•+)可能导致反磁性π-二聚体的形成(2V•+= V22+),使得含有正丙基(ZnL3聚合物)的超分子聚合物被还原后因丙基链的柔韧性和长度非常适合能在分子内形成π-二聚体,而含乙基间隔体(ZnL2聚合物)的聚合物被还原后则不能形成π-二聚体。ZnLn颗粒的特点是在水性溶剂中可以结晶,使得它们在含紫罗碱聚合物中的密度很高。我们分别采用掠入射X射线衍射、掠入射小角X射线散射以及小角X射线散射技术分别分析了ZnLn颗粒在基底表面、液相环境以及氧化还原状态下的内部微结构。

结果表明,还原后的ZnLn颗粒非常稳定,可以存储超过1年。ZnLn胶体颗粒中含有紫罗碱单元,以其特有的氧化还原性能而使得颗粒具有存储和释放多电子的能力,可以在多电子存储设备中用作氧化还原传感器、分子电池中多电子工艺的催化剂。与有机小分子和树枝状大分子在设计用于电荷存储应用中相比,ZnLn颗粒克服了化学和结构形态稳定性及其胶体颗粒的尺寸易通过改变单体结构进行调节的挑战。未来的工作将利用自组装配位聚合物的多功能性设计出应激-反应智能分子器件。




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