中國科學家研發(fā)新型稀土環(huán)保顏料 打破重金屬束縛

在我們的日常生活中，鮮艷的色彩無處不在——從孩子手中的玩具到商品的精美包裝，這些斑斕的視覺體驗背后，卻可能隱藏著不容忽視的健康風險。傳統(tǒng)工業(yè)顏料為了保持色彩的持久與亮麗，往往依賴鉛、鎘、汞等重金屬成分，長期接觸可能對人體神經(jīng)系統(tǒng)、造血功能及腎臟造成潛在傷害。

如今，這一困擾全球顏料行業(yè)的難題迎來了革命性的解決方案。近日，大連民族大學董斌教授科研團隊成功研發(fā)出新一代環(huán)保型稀土顏料，該技術不僅徹底摒棄了有毒重金屬的使用，更在色彩表現(xiàn)、穩(wěn)定性和生產(chǎn)成本上實現(xiàn)多重突破。

傳統(tǒng)顏料的困境

長期以來，傳統(tǒng)無機顏料行業(yè)面臨著一個兩難困境：鮮艷穩(wěn)定的色彩往往與重金屬毒性相伴。即便采用包覆等改良技術，仍難以完全杜絕重金屬在特定條件下的析出風險，對生產(chǎn)者和消費者都構成潛在威脅，可能通過接觸、吸入或誤食進入人體。尤其是紅鉛礦、朱砂、鉻黃等鮮艷色系顏料，其制備和使用過程都會持續(xù)釋放有毒元素，給健康和環(huán)境帶來潛在風險。

“我們在整理稀土應用文獻時發(fā)現(xiàn)，黃—紅系高飽和度顏料幾乎都依賴重金屬化合物，這類窄帶隙材料毒性高且穩(wěn)定性不足。”團隊核心成員羅昔賢回憶道，“尋找新的低毒高艷著色材料成為亟待解決的行業(yè)難題。”

稀土技術的獨特優(yōu)勢

一次偶然的實驗觀察，為團隊提供了突破口。在研究稀土離子的光學特性時，他們發(fā)現(xiàn)某些稀土離子的躍遷具有獨特的寬吸收特性，這一特性與顏料顯色原理高度契合?？紤]到我國稀土資源豐富，團隊萌生了一個大膽想法：用稀土離子研發(fā)新型環(huán)保顏料，以實現(xiàn)低毒高艷。

“稀土離子不僅可以顯色，而且避免了重金屬的毒性問題，這為研發(fā)環(huán)保顏料提供了技術可行性。”羅昔賢說。基于這一思路，團隊選擇了“寬帶隙基質+稀土摻雜”的技術路線，通過精準調控稀土離子的光學行為，實現(xiàn)綠、黃、橙、紅四大色系的高飽和度呈色。同時，這些顏料具備耐高溫、抗老化、色牢度強等綜合性能，性能全面優(yōu)于傳統(tǒng)無機顏料。

千次實驗鑄就技術突破

研發(fā)過程中，團隊面臨諸多挑戰(zhàn)，包括稀土離子光學行為的精準調控、色系飽和度優(yōu)化以及科研設備限制等。團隊7名核心成員根據(jù)專業(yè)特長分為測試分析、結果歸納、設備維護等專項小組，形成高效協(xié)作機制。

“硅鋁酸鹽作為寬帶隙基質環(huán)保、成本低，但摻雜稀土后的晶格占位和能級躍遷規(guī)律難以把握。”羅昔賢介紹，為了攻克這一難題，團隊在實驗室里進行了數(shù)千次材料篩選和參數(shù)優(yōu)化，通過調整晶體場強度、增強共價性等方法，解決了材料在不同輻照環(huán)境下呈色不穩(wěn)定的問題。

在成本控制方面，團隊同樣實現(xiàn)了突破。硅鋁酸鹽儲量豐富、價格低廉，而所需稀土離子多為市場需求小的元素，整體生產(chǎn)成本遠低于現(xiàn)有高端環(huán)保顏料。董斌表示：“規(guī)?；a(chǎn)結合材料低成本優(yōu)勢，使我們有信心將售價降低60%以上。”

引領顏料行業(yè)綠色轉型

中國科學院院士徐紅星評價此項研究“突破了傳統(tǒng)顏料的技術局限，在解決毒性問題的同時，實現(xiàn)了性能與成本的雙重優(yōu)化，將引領顏料行業(yè)的技術革新”。

目前，該團隊已實現(xiàn)四大色系顏料的穩(wěn)定制備，并與大連金普新區(qū)達成合作意向，計劃建立年產(chǎn)500噸的試驗生產(chǎn)線。董斌教授表示，下一步研發(fā)將向兩個方向拓展：一是實現(xiàn)全色系覆蓋，滿足多元化需求；二是拓展應用場景，從建筑涂料、工業(yè)漆料到日用消費品，推動“無毒替代”在更廣泛領域的落地。

與此同時，團隊還在探索稀土材料在醫(yī)療成像等高科技領域的應用可能，展現(xiàn)了這項基礎研究的廣闊前景。

隨著新型稀土環(huán)保顏料逐步走向產(chǎn)業(yè)化，我們有望迎來一個全新的色彩時代——在這個時代里，絢麗的色彩不再以犧牲健康和環(huán)境為代價，科技的進步真正服務于人民對美好生活的向往，讓每一抹鮮艷都承載著安全與健康的承諾。