利用碳酸化方法从帕利马南天然石灰石中制备乙醇辅助合成的Vaterite纳米颗粒

《JCIS Open》：Alcohol-assisted Vaterite Nanoparticles Production from Palimanan Natural Limestone via Carbonation Method

本文利用甲醇和水作为溶剂，通过碳化法成功合成高纯度纳米方解石（vaterite），其中甲醇溶剂的vaterite含量达91.1%，晶粒尺寸16.24 nm，孔径43.30 nm。研究显示，甲醇因增强溶液过饱和度和抑制晶型转变，优于其他醇类溶剂。同时首次利用印尼Palimanan石灰石制备Ca(OH)?，经甲醇碳化得到vaterite，其晶粒尺寸1202 nm，孔径43.30 nm，验证了天然石灰石作为钙源的可行性。

　　在本研究中，科学家们探索了通过不同的有机溶剂合成碳酸钙多晶型物的方法，并特别关注了如何通过碳化反应制备高纯度的纳米级文石（vaterite）。文石作为一种重要的碳酸钙多态，具有良好的孔隙率、较大的比表面积、较低的密度以及良好的水溶性，因此在多个领域中展现出广泛的应用价值。例如，文石被广泛用于骨填充材料、药物递送系统以及牙科材料等。然而，文石在热力学上并不稳定，容易转化为更稳定的多晶型物，如方解石（calcite）和霰石（aragonite）。因此，如何在合成过程中保持文石的稳定性，是研究的重点之一。

为了提高文石的纯度和控制其形成，研究人员选择了不同类型的醇类作为溶剂，包括甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇和1-丁醇。其中，只有甲醇能够成功地合成出高纯度的文石。研究发现，使用甲醇作为溶剂时，形成的文石具有较小的晶粒尺寸和粒子尺寸，分别为16.24纳米和2327纳米。而使用乙醇时，合成的产物则是一个文石和方解石的混合物，而其他溶剂则只能生成纯方解石。这表明甲醇在控制文石的形成方面具有独特的性能，可能是由于其分子结构较为简单，能够有效提升碳酸钙的溶解性，进而促进文石的形成。

为了进一步探索文石的制备方法，研究还使用了印尼西部爪哇地区的Palimanan天然石灰石作为钙源。Palimanan石灰石富含氧化钙，是制备文石的理想材料。研究人员通过煅烧和水合的方式将石灰石转化为氢氧化钙，然后利用甲醇作为溶剂进行碳化反应，从而获得纳米级的文石。该方法不仅能够提高文石的纯度，还能够利用天然资源，降低成本并提高可持续性。

在实验过程中，研究人员通过一系列分析手段对合成的碳酸钙多晶型物进行了表征。这些手段包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等。FTIR分析结果显示，所有样品都表现出碳酸钙的特征吸收峰，其中文石的典型吸收峰出现在745厘米-1处。XRD分析进一步验证了文石的形成，显示其在2θ角度为21°、24.8°、27.1°和32.8°时具有特定的衍射峰。而SEM图像则揭示了文石的球形结构和多孔特性，这对其在药物递送和生物医学材料中的应用具有重要意义。

此外，研究还关注了文石的孔隙结构和比表面积等物理化学性质。通过BET（Brunauer-Emmett-Teller）和BJH（Barrett-Joyner-Halenda）分析方法，研究人员发现使用甲醇作为溶剂时，文石的比表面积和总孔体积与传统方法合成的文石相比略有差异。然而，其平均孔径达到了43.30纳米，这一特性对于需要高孔隙率的材料应用非常有益。通过对比不同溶剂合成的文石，研究人员还发现，随着醇类碳链长度的增加，文石的形成逐渐受到抑制，而方解石的形成则更为显著。这表明，在合成过程中，溶剂的性质对产物的形成具有重要影响。

在研究过程中，研究人员还探讨了文石的形成机制。他们认为，碳酸钙多晶型物的形成受到溶液饱和度、钙离子溶解度和成核速率的共同影响。在甲醇作为溶剂的情况下，由于其能够有效提升钙离子的溶解性，从而加快成核速率，促进了文石的形成。而在使用乙醇等碳链较长的醇类时，钙离子的溶解性下降，导致溶液饱和度降低，成核过程被抑制，最终形成了更稳定的方解石。因此，甲醇在控制文石的形成方面具有独特的优势，能够避免其转化为其他更稳定的多晶型物。

本研究的结果表明，使用甲醇作为溶剂，不仅能够提高文石的纯度，还能获得具有理想物理化学性质的纳米文石。此外，利用Palimanan天然石灰石作为钙源，不仅能够降低生产成本，还能促进资源的可持续利用。研究团队通过实验验证了这一方法的可行性，并且在合成过程中保持了文石的稳定性，避免了其在热力学上的转化。这一发现为文石在多个领域的应用提供了新的思路和可能性。

通过对比不同溶剂和不同钙源合成的文石，研究人员还总结了其在不同条件下的性能差异。例如，使用甲醇作为溶剂时，文石的比表面积和孔径较高，这可能与其分子结构和对溶液饱和度的调控有关。而使用其他醇类时，虽然也能合成文石，但其纯度和性能通常不如甲醇。此外，研究还发现，甲醇的使用不仅影响了文石的形成，还对其形态和结构产生了显著的影响，这可能与甲醇在溶液中的作用有关。

总的来说，这项研究通过系统的方法，探索了如何利用甲醇作为溶剂合成高纯度的纳米文石，并且成功地将Palimanan天然石灰石转化为文石。研究结果表明，甲醇在控制文石的形成和保持其稳定性方面具有显著优势，而其他醇类则更容易导致方解石的形成。此外，研究还揭示了文石在不同条件下的物理化学特性，为未来的应用提供了重要的参考依据。这一研究不仅在科学上具有重要意义，也为工业生产和可持续发展提供了新的可能性。