基于煤矸石和石灰石粉的伟晶霞石-霞石生物陶瓷的化学、矿物学和光学表征

《Scientific Reports》：Chemical, mineralogical, and optical characterization of a Nepheline-Combeite bioceramic based on coal gangue and limestone dust

　　

摘要

霞石（NaAlSiO?）和康贝石（Na?Ca?Si?O?）属于碱硅酸盐陶瓷家族，因其卓越的结构和功能特性而受到认可。开发整合这两种相的复合材料可以结合各自的结构和化学优势，为设计创新生物材料铺平道路。在本研究中，利用工业副产品（煤矸石作为 SiO? 的来源，石灰石粉作为 CaCO₃ 的来源），通过碱激法成功合成了霞石 - 康贝石生物陶瓷。该生物陶瓷在室温下合成，使用不同浓度（2、3 和 4 M）的氢氧化钠（NaOH）作为碱性激活剂，以评估碱浓度对生物陶瓷形成的影响。混合物在磁搅拌下用碱性激活剂（NaOH）激活 6 小时，然后在 700°C 下进行热处理。此外，通过将合成的生物陶瓷浸没在模拟体液（SBF）和人工唾液（AS）中，在 37°C 下浸泡 48 小时，评估了其生物活性。获得生物陶瓷的结构、形貌和光学性能通过 X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱（RS）、漫反射紫外 - 可见光谱（DRS）、透射电子显微镜（TEM）和选区电子衍射（SAED）进行了表征。XRD 分析证实，NaOH 浓度显著影响生物陶瓷的形成，4 M 被确定为形成霞石 - 康贝石生物陶瓷的最佳浓度。此外，SEM 观察揭示了层状霞石颗粒，而紫外 - 可见光分析显示光学带隙为 3.02 eV，最大吸收在 304 nm 处。仅在模拟介质中浸泡 48 小时后的 XRD 分析，辅以扫描电子显微镜（SEM）观察，表明这些生物陶瓷能快速促进类骨羟基磷灰石（Ca??(PO?)?(OH)?）层的形成，显示出其作为骨再生生物材料的潜力。通过将工业副产品转化为高价值生物陶瓷，本研究有助于联合国可持续发展目标 12（负责任消费和生产）。