●納米粉末TiO2被歐盟列為致癌分類第2類（由於納米尺寸引起的細胞毒性），食品的使用和生產受到限制，例如法國禁止食品加工領域使用。鑑於目前對二氧化鈦的依賴及其市場規模，二氧化鈦替代材料的開發是一個重要的社會問題。●與水（或 OH 基團）配位的雙核鐵離子，與作為食品添加劑的紅色氧化鐵（不吸收UV）不同，能夠吸收紫外線並且顯示光催化活性，雖然其在酶和蛋白質中廣泛存在，但是無法合成它的穩定化合物。本文將雙核鐵離子鑲入多孔二氧化硅的晶體中，成功地穩定了雙核鐵離子並實現了UV吸光。另外，由於受到二氧化硅的微觀結構影響，其不會多核化和形成氧化鐵。這樣得到的白色UV吸光材料，能夠進行防曬，並且展現了匹敵於TiO2的防曬效果。● 期待這種材料在防曬領域的應用。另外，其還展示了優秀的光催化活性，在空氣淨化領域的應用也值得期待。
圖1.酵素中的雙核鐵離子（上）和多孔二氧化硅中的雙核鐵離子（下）
二氧化鈦，特別是納米級顆粒，廣泛應用於化妝品、日用品、食品、醫藥、建材等領域，作為白色顏料、防紫外線材料（散射材料而非吸收材料）、光催化劑等。從 2020 年被歐盟指定為致癌分類第 2 類（由於納米尺寸引起的細胞毒性）開始，食品的使用和製造在法國受到限制。也有一些研究論文表明,需要進一步調查才能證明其對人類的致癌性（現代社會很多打着環境的口號，宣揚政治的流氓）。然而，考慮到目前對二氧化鈦的依賴程度及其市場規模，開發安全可靠的二氧化鈦替代材料可以說是一個重要的社會問題。氧化鈦的最有希望的替代品是氧化鐵/氫氧化鐵，這是地球上最便宜和最具生物相容性的氧化物半導體。但是，氧化鐵的能隙（帶隙）很窄，主要吸收可見光（一般用作紅色等顏料），因此不能用於白色顏料和紫外線吸收劑。相比之下，雙核鐵離子比氧化鐵具有更寬的能隙，因此它們能夠吸收紫外線並表現出光催化活性。然而，雙核鐵離子極不穩定，只有單核鐵離子在pH<0的強酸性溶液中是穩定的，如果pH上升一點點，就會進行水解/縮合併立即形成有色團簇的納米晶體。這次，物質材料研究所（NIMS）、北海道大學、廣島大學等的研究團隊將市售的多孔二氧化硅與單核鐵離子[Fe (H 2 O) 6 ] 3+）混合，成功地獲得了一種在吸收紫外線的同時還有光催化作用的粉末（圖2左，右）。此外，將該粉末與天然油混合製成糊狀，評估其作為防曬霜的性能時，發現其性能和穩定性可與目前的二氧化鈦媲美。北海道大學研究小組的結構分析表明，這些功能是由固定在多孔二氧化硅孔隙中的雙核鐵離子引起的(EXAFS的推測結果，圖3)。
圖2. 含有雙核鐵離子的漫反射吸光光譜（左），以及在光催化分解乙酸的活性圖（右）
雖然雙核鐵離子在自然界中無處不在，例如酶和蛋白質（圖1），但只有少數情況下可以人工合成（Osadchii et al., ACS Catal . 2018, 8, 5542, etc.） ... 並且存在對產品的安全性和穩定性的擔憂，也存在產品着色的問題。
圖3.EXAFS 光譜的傅里葉變換結果
這種材料的安全性需要在未來進行詳細的研究，但由於所使用的多孔二氧化硅是幾微米的顆粒，不容易通過體內的組織，因此預計不會出現像二氧化鈦那樣的由於納米尺寸引起的細胞毒性。由於它不僅可以用作紫外線吸收劑，還可以用作光催化劑，因此我們的目標是取代目前所有氧化鈦的應用或開發氧化鈦無法處理的應用。doi.org/10.1016/j.mtnano.2022.100227
留言列表
留言列表