多孔纳米氧化镁的无模板水热合成与掺杂离子作用机制研究

开发盐湖镁资源是目前亟待解决的重大课题，本项目以盐湖氯化镁为原料，利用无模板水热法、表面包覆以及掺杂技术制备具有核－壳结构的多孔掺杂纳米氧化镁抗菌材料。采用第一性原理结合PAT、HRTEM、EPR等现代分析测试技术，系统研究不同合成条件、煅烧条件和不同金属离子掺杂时，氧化镁晶体结构、局域结构、缺陷性质和抗菌性能的变化。认识氧化镁晶体微观电子结构变化过程，明确离子掺杂对氧化镁电子结构、晶格缺陷和抗菌性能的影响，阐明掺杂离子的作用机制；采用非均固－液相的扩散－反应模型和MC模拟方法研究纳米氧化镁前驱体的结晶动力学过程，实现其可控生长。通过研究使纳米氧化镁的合成制备从"炒菜式"探索向理论预测、优化设计的深层次转化，以理论指导制备条件的改进，最终制备出抗菌谱广、环境友好的高效纳米氧化镁抗菌材料，为盐湖镁资源的有效利用提供一条新途径，实现我国盐湖的可持续发展。

本项目以盐湖氯化镁、硝酸镁等为镁源，针对氧化镁的合成进行了分子级水平调控，优化了晶体的可控生长过程，利用溶胶-凝胶法、水热法、自组装膜诱导法、微波辅助高分子凝胶法以及静电纺丝等方法制备了不同形貌和结构的纳米氧化镁，并利用离子掺杂、氧化物等对其进行改性，制备出了高效的纳米氧化镁抗菌材料，研究了合成条件所得氧化镁的晶体结构、缺陷性质和抗菌性能的关系。(1)氧化镁的抗菌性能与形貌密切相关，圆片状氧化镁对金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度为800ppm，球状氧化镁则可达600 ppm，而块状氧化镁的抑菌效果并不明显。此外，氧化镁颗粒尺寸也影响其抗菌性能，合成的纳米级氧化镁的抗菌性能测试表明，晶粒尺寸小的氧化镁和比表面积大的氧化镁对金黄色葡萄球菌的24h杀菌率分别为88.4%和85.7%，对大肠杆菌的24h杀菌率则分别为91.3%和89.2%。(2)离子掺杂对氧化镁的抗菌性能有极大影响，结果表明，Ag掺杂可以改变MgO的晶型结构，掺杂样品的晶粒尺寸随着掺杂量的增加，呈现出先减小后增大的规律；随着Ag掺杂量的增加，样品的抗菌效果也随之提高, 适量掺杂Zn也可以提高MgO的抗菌性能。(3)对制备的氧化镁与多种其他氧化物的复合物进行了抗菌性能测试，结果表明TiO2-MgO复合材料、CuO-MgO复合材料、ZnO-MgO复合材料以及Ag-MgO复合材料对金黄色葡萄球菌的24h杀菌率为82.3%、80.4%、89.2%和92.5%，对大肠杆菌的24h杀菌率则分别为85.6%、81.2%、86.1%和90.2%, 表明Ag-MgO复合材料具有较强的抗菌性能。而采用静电纺丝法制备的MgO/PLA复合纳米纤维，其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的24小时杀菌率分别为89%，95%，抗菌性能优异。(4)采用溶液电导率法研究氧化镁前驱体的结晶动力学过程，结果表明前驱体浓度对晶体可控生长的有很大影响。此外，不同镁源的晶核生长反应和晶粒长大反应都是一级反应，即改变反应镁源，饱和溶液电导率的变化规律依然不变。(5)利用第一性原理分别对掺杂Ag、Cu、Fe、Ti和Al等离子以及石墨烯的氧化镁进行了电子结构计算，结果表明，间隙掺杂比取代掺杂更利于电子结构的改善，从而提高氧化镁的抗菌性能。此外，表面掺杂及氧化镁晶体均使石墨烯上C所带负电荷增加，有可能阻止细菌附着，形成抗菌。