无水碳酸镁纳米晶形貌调控及其形成机理研究

Low temperature liquid phase synthesis and morphology control has become the key problem of anhydrous magnesium carbonate nanocrystals to realizing its functiona- lization. Preliminary study shows that the induction of anhydrous magnesium carbo- nate nanocrystal controllable synthesis possible by amino acid.The project adopted magnesite as raw material in the CaCl2-CO2-H2O reaction system, used soluble mag- nesium ion from selective leaching and carbonate or bicarbonate to react, by means of biomimetic synthesis,synthesised rod, sheet, barbed spherical anhydrous magne- sium carbonate nanocrystals with special morphology; analysized the relationship between amino acid and crystal phase and its element size, regulated by the effect of amino acids on element aggregation and crystal growth,research on mechanism of different types of amino acid inducing crystal controlled growth;observed the pro- cess of crystal growth,researched crystal habit,and set up growth kinetics model of different crystal morphology; changed the single factor of amino addition,to study on nanocrystalline morphology evolution of anhydrous magnesium carbonate, and anylysized the relationship between anhydrous magnesium carbonate nanocrystal- line morphology and solution composition as well as growth unit configuration,stu- died the nanocrystalline morphology controllable growth mechanism of rod,sheet,and barbed spherical.The results will enrich the theory and method of controllable synthesis of anhydrous magnesium carbonate nanocrystals,lay a scientific foundat- ion for the production of fine magnesium salts,and provide theoretical basis for exploring the biological molecular controllable morphology of nano materials.

低温液相合成及形貌调控成为无水碳酸镁纳米晶能否实现功能化的关键问题。前期研究表明，利用氨基酸诱导无水碳酸镁纳米晶可控合成成为可能。项目拟以菱镁矿为原料，在CaCl2-CO2-H2O反应体系中，采用选择性浸出法浸出的可溶性镁离子与碳酸盐或碳酸氢盐反应，借助仿生合成手段，合成棒状、片状、刺球状特殊形貌无水碳酸镁纳米晶；分析氨基酸与晶体物相及基元尺寸的关系，利用氨基酸对晶体生长基元聚集方式进行调控，研究不同种类氨基酸诱导晶体可控生长作用机制；观测晶体结晶生长过程，研究不同形貌晶体生长动力学；改变氨基酸添加量这一单因素，研究无水碳酸镁纳米晶形貌演化规律；分析无水碳酸镁纳米晶微观形貌与溶液组成及生长基元空间构型之间的相互关系，研究棒状、片状、刺球状纳米晶形貌可控生长机理。研究结果将丰富无水碳酸镁纳米晶可控合成理论与方法，为精细镁盐生产奠定科学基础，并对探索生物分子调控纳米材料微观形貌提供理论依据。

为了合理利用我国丰富的镁矿资源，开发出高性能精细镁盐化工产品，申请项目研究无水碳酸镁纳米晶形貌调控及其形成机理。在CaCl2-CO2-H2O反应体系下分离轻烧氧化镁中的镁、钙元素，采用二次选择性浸出方法，通过二次选择性浸出法浸取低品位菱镁矿中的Mg2+，其总浸出率高达87%。以氯化镁和无水碳酸钠为原料，通过添加氨基酸，在110℃反应温度条件下合成出了无水碳酸镁晶体，比目前相关资料报道的合成温度降低50℃。反应过程中，氨基酸选定为L-天门冬氨酸，添加量为0.02mol/L，反应温度为110℃时，反应物氯化镁与无水碳酸钠浓度均为2.00mol/L，反应时间72h，制备出球状无水碳酸镁微晶。当反应温度为190℃，反应时间为36h，所合成的无水碳酸镁晶体纯度高，产物整体粒径在300nm-1.5μm之间，晶体结晶发育完整，表面光滑，呈现规则立方体结构。以柠檬酸钠作为晶形控制剂，能够合成出刺球状无水碳酸镁晶体。刺球状晶体形成机理是由于硬脂酸镁的定向引导生成晶核，L-天门冬氨酸镁的聚合反应生成了枝晶，最终生成了刺球状晶体形貌。无水碳酸镁晶体中Mg-O构成MgO6八面体，每一个MgO6八面体中的O都与C相连，构成CO3结构，且CO3结构共面，这种结构导致晶体结晶生长过程中沿[001]方向结晶生成菱面体。研究课题共发表学术论文10篇，其中SCI论文5篇，获批国家授权发明专利4项，申请发明专利2项，获得省部级科技奖励1项，培养硕士研究生3人，其中2人已毕业，培养在读博士研究生1人。项目研究结果将丰富无水碳酸镁纳米晶可控合成理论与方法，为精细镁盐生产奠定科学基础 ，并对探索生物分子调控纳米材料微观形貌提供理论依据。