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  硅藻是一類真核生物體，是自然界中常見的單細胞藻類，其種類繁多，數量極大，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，三分之一的硅藻脂，所以硅藻產業將可以解決工業原料（硅藻殼）、能源（硅藻脂）和糧食（蛋白質）這三大全球根本性問題。但由于硅藻養殖成本高、分離技術難等無法大規模養殖的技術難題，直至最近一個十年，才由硅藻材料校企聯合實驗室首席科學家美國工程院院士王兆凱科學家首次成功實現了戶外大規模養殖。硅藻產業是一個極其龐大的生態產業系統，不僅是材料領域的一場革新，也可滿足世界各國各種高、精、尖材料的需要，而且將在工業、農業、國防、醫藥、環保、糧食和能源安全等方面發揮巨大作用。并且，人工養殖硅藻產業鏈的各個生產環節都是完全零污染的，這符合全球產業發展的環保要求。此外，與新材料、新能源相關的硅藻衍生產業，80%都是重點產業振興和技術改造重點支持領域，發展前景不可限量。所以可知，人工養殖硅藻材料在能源及環境方面將有非常重大的學術及應用價值（圖1）。

圖1. 人工養殖硅藻材料及其應用

  相關成果以“Prospects for the application of artificially cultured diatom materials in energy and environment”發表在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，聯合實驗室開展了一系列的工作。

硅藻殼相變儲能材料

  現在市面上使用較多的硅藻基材料硅藻土（Di）是一種不需要進行任何改性的天然多孔材料，而且其制備工藝簡單，價格便宜。但硅藻土的孔結構大多沒有疏通，其比表面積和孔體積都較低，導致其對相變介質的吸附量偏小，如圖2中Di的掃描電鏡圖所示，很多孔洞已被堵塞。鑒于此，聯合實驗室開創性地使用人工養殖硅藻的方法制備硅藻殼，材料容易獲得，生產成本低，制備方法簡單，使用前只需經過簡單的預處理和燒結，即可分別獲得綠色環保無污染的燒結前硅藻殼（Pd）和燒結后硅藻殼（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）具有獨特的三維納米多級多孔結構，使得其擁有良好的吸附能力，性能穩定，容易再生且可多次使用，是自然界中獨一無二、純度極高的生物材料。聯合實驗室以Di、Pd和Sd作為支撐材料研究其復合相變材料。

圖2. Di、Pd和Sd的制備流程圖

  相關成果以“Improving the thermal energy storage capability of diatom-based biomass/polyethylene glycol composites phase change materials by artificial culture methods”發表在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

  為了進一步的研究不同種類硅藻殼在相變儲能上的應用，聯合實驗室對羽紋綱舟形硅藻進行不同溫度的燒結，發現400℃下燒結的硅藻殼材料以其獨特的結構（圖3）擁有更高的儲熱性能并進行了其機理研究。

圖3. 羽紋綱舟形硅藻殼吸附PEG示意圖

  相關成果以“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，國家發改委和生態環境部聯合印發了史上最嚴“禁塑令”，生物降解塑料迎來全新的發展機遇。本研究利用天然生物質硅藻殼與生物基聚乳酸復合，制備全生物降解復合材料，其產品可在環境中被百分百降解，生成二氧化碳和水，具有優異的降解性能和環保優勢。此外，硅藻殼可使聚乳酸降解速率可大大提高，降解90%所需時間由一年縮短至三個月，大大縮短了塑料回收周期，降低了后期成本。優異的力學性能和可調控的降解速率使得聚乳酸/硅藻殼復合材料在節能經濟領域具備更廣泛的應用場景，有望在塑料制品的生產、使用、流通以及回收等環節形成生態閉環（圖4）。

圖4. 人工養殖硅藻/聚乳酸全生物可降解復合材料的循環示意圖

  相關成果以“High-performance polylactic acid composites reinforced by artificially cultured diatom frustules”發表在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

硅藻殼燒結多孔陶瓷

  此外，聯合實驗室通過粉末冶金方法成功制備了高強度硅藻殼基多孔陶瓷。研究發現，經過950°C燒結得到的硅藻殼基多孔陶瓷孔隙率為56.4%，同時抗壓強度保持在15.0MPa。當燒結溫度提高到1100°C，多孔陶瓷內部出現的部分熔化會促進顆粒的團聚和生長，同時會堵塞硅藻殼顆粒內部和顆粒之間的孔隙結構，從而造成明顯孔隙結構的塌陷和堵塞。當燒結溫度提高到1050°C時，多孔陶瓷仍保留42.4%的孔隙率。相關成果以“Sintering behaviors and properties of porous ceramics derived from artificially-cultured diatom frustules”發表在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

  相關研究工作得到了國家自然科學基金和硅藻材料校企聯合實驗室的資助。