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  硅藻是一類真核生物體，是自然界中常見的單細(xì)胞藻類，其種類繁多，數(shù)量極大，分布也非常廣泛。硅藻植物的光合作用能夠吸收二氧化碳并釋放氧氣，對全球氣候的變化有一定影響。目前的硅藻幾乎都是自然界純天然生長的，每一個(gè)單體硅藻，都只有3種成份：三分之一的硅藻殼，三分之一的蛋白質(zhì)，三分之一的硅藻脂，所以硅藻產(chǎn)業(yè)將可以解決工業(yè)原料（硅藻殼）、能源（硅藻脂）和糧食（蛋白質(zhì)）這三大全球根本性問題。但由于硅藻養(yǎng)殖成本高、分離技術(shù)難等無法大規(guī)模養(yǎng)殖的技術(shù)難題，直至最近一個(gè)十年，才由硅藻材料校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家美國工程院院士王兆凱科學(xué)家首次成功實(shí)現(xiàn)了戶外大規(guī)模養(yǎng)殖。硅藻產(chǎn)業(yè)是一個(gè)極其龐大的生態(tài)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)，不僅是材料領(lǐng)域的一場革新，也可滿足世界各國各種高、精、尖材料的需要，而且將在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)藥、環(huán)保、糧食和能源安全等方面發(fā)揮巨大作用。并且，人工養(yǎng)殖硅藻產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都是完全零污染的，這符合全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展的環(huán)保要求。此外，與新材料、新能源相關(guān)的硅藻衍生產(chǎn)業(yè)，80%都是重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)振興和技術(shù)改造重點(diǎn)支持領(lǐng)域，發(fā)展前景不可限量。所以可知，人工養(yǎng)殖硅藻材料在能源及環(huán)境方面將有非常重大的學(xué)術(shù)及應(yīng)用價(jià)值（圖1）。

圖1. 人工養(yǎng)殖硅藻材料及其應(yīng)用

  相關(guān)成果以“Prospects for the application of artificially cultured diatom materials in energy and environment”發(fā)表在ES Energy & Environment (2020, 8, 3-4)上。論文的第一作者為黃錦濤研究助理教授，通訊作者為孫大陟副教授。

  論文鏈接：https://dx.doi.org/10.30919/esee8c486

  基于此，聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開展了一系列的工作。

硅藻殼相變儲能材料

  現(xiàn)在市面上使用較多的硅藻基材料硅藻土（Di）是一種不需要進(jìn)行任何改性的天然多孔材料，而且其制備工藝簡單，價(jià)格便宜。但硅藻土的孔結(jié)構(gòu)大多沒有疏通，其比表面積和孔體積都較低，導(dǎo)致其對相變介質(zhì)的吸附量偏小，如圖2中Di的掃描電鏡圖所示，很多孔洞已被堵塞。鑒于此，聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開創(chuàng)性地使用人工養(yǎng)殖硅藻的方法制備硅藻殼，材料容易獲得，生產(chǎn)成本低，制備方法簡單，使用前只需經(jīng)過簡單的預(yù)處理和燒結(jié)，即可分別獲得綠色環(huán)保無污染的燒結(jié)前硅藻殼（Pd）和燒結(jié)后硅藻殼（Sd）。該種由硅藻提取的微納生物材料硅藻殼（主要成分為二氧化硅，SiO₂）具有獨(dú)特的三維納米多級多孔結(jié)構(gòu)，使得其擁有良好的吸附能力，性能穩(wěn)定，容易再生且可多次使用，是自然界中獨(dú)一無二、純度極高的生物材料。聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室以Di、Pd和Sd作為支撐材料研究其復(fù)合相變材料。

圖2. Di、Pd和Sd的制備流程圖

  相關(guān)成果以“Improving the thermal energy storage capability of diatom-based biomass/polyethylene glycol composites phase change materials by artificial culture methods”發(fā)表在Solar Energy Materials & Solar Cells (2021, 219, 110797)上。論文的第一作者為黃錦濤研究助理教授，通訊作者為盧翔副研究員和孫大陟副教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.solmat.2020.110797

  為了進(jìn)一步的研究不同種類硅藻殼在相變儲能上的應(yīng)用，聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室對羽紋綱舟形硅藻進(jìn)行不同溫度的燒結(jié)，發(fā)現(xiàn)400℃下燒結(jié)的硅藻殼材料以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)（圖3）擁有更高的儲熱性能并進(jìn)行了其機(jī)理研究。

圖3. 羽紋綱舟形硅藻殼吸附PEG示意圖

  相關(guān)成果以“Biomass-based shape-stabilized phase change materials from artificially cultured ship-shaped diatom frustules with high enthalpy for thermal energy storage”發(fā)表在Composites Part B: Engineering (2021, 205, 108500)上。論文的第一作者為碩士生吳邦耀，通訊作者為黃錦濤研究助理教授和孫大陟副教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108500

硅藻殼生物可降解塑料

  2020年1月份，國家發(fā)改委和生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合印發(fā)了史上最嚴(yán)“禁塑令”，生物降解塑料迎來全新的發(fā)展機(jī)遇。本研究利用天然生物質(zhì)硅藻殼與生物基聚乳酸復(fù)合，制備全生物降解復(fù)合材料，其產(chǎn)品可在環(huán)境中被百分百降解，生成二氧化碳和水，具有優(yōu)異的降解性能和環(huán)保優(yōu)勢。此外，硅藻殼可使聚乳酸降解速率可大大提高，降解90%所需時(shí)間由一年縮短至三個(gè)月，大大縮短了塑料回收周期，降低了后期成本。優(yōu)異的力學(xué)性能和可調(diào)控的降解速率使得聚乳酸/硅藻殼復(fù)合材料在節(jié)能經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域具備更廣泛的應(yīng)用場景，有望在塑料制品的生產(chǎn)、使用、流通以及回收等環(huán)節(jié)形成生態(tài)閉環(huán)（圖4）。

圖4. 人工養(yǎng)殖硅藻/聚乳酸全生物可降解復(fù)合材料的循環(huán)示意圖

  相關(guān)成果以“High-performance polylactic acid composites reinforced by artificially cultured diatom frustules”發(fā)表在Material and Design (2020, 195, 109003)上。論文的第一作者為博士生李濤，通訊作者為黃錦濤研究助理教授和孫大陟副教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109003

硅藻殼燒結(jié)多孔陶瓷

  此外，聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室通過粉末冶金方法成功制備了高強(qiáng)度硅藻殼基多孔陶瓷。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過950°C燒結(jié)得到的硅藻殼基多孔陶瓷孔隙率為56.4%，同時(shí)抗壓強(qiáng)度保持在15.0MPa。當(dāng)燒結(jié)溫度提高到1100°C，多孔陶瓷內(nèi)部出現(xiàn)的部分熔化會促進(jìn)顆粒的團(tuán)聚和生長，同時(shí)會堵塞硅藻殼顆粒內(nèi)部和顆粒之間的孔隙結(jié)構(gòu)，從而造成明顯孔隙結(jié)構(gòu)的塌陷和堵塞。當(dāng)燒結(jié)溫度提高到1050°C時(shí)，多孔陶瓷仍保留42.4%的孔隙率。相關(guān)成果以“Sintering behaviors and properties of porous ceramics derived from artificially-cultured diatom frustules”發(fā)表在Journal of the American Ceramic Society上。論文的第一作者為博士后呂沙，通訊作者為黃錦濤研究助理教授、孫大陟副教授和余鵬副教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1111/jace.17611

  相關(guān)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和硅藻材料校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的資助。