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我国著名稀土化学家赵贵文研究纪实

作者:洪广言  倪嘉缵 日期:2020-09-24 加入收藏

 
  赵贵文,满族,分析化学家,1921年7月出生于吉林省伊通县。1938年考入日本奈良女子高等师范学院化学系,1942年毕业后于1943年以优异成绩考入日本广岛大学化学系深造。1945年毕业后回国到长春大学理学院化学系任讲师。1949-1960年中国科学院长春应用化学研究所,中国科学院哈尔滨土木建筑研究所助理研究员。1961-1980年中国科学技术大学化学系讲师、副教授。1981年至今中国科学技术大学化学系教授(1985年建点博士生导师)。曾任安徽省政治协商委员会常务委员、 中国稀土学会理事和安徽省稀土学会理事长。

  赵贵文天性聪颖,在吉林省伊通县读完小学后,以第一名的成绩考入长春市第一女子中学。读完高中一年,她提前两年参加留学日本的考试,以官费被日本奈良女子高等师范学院录取。奈良女子高等师范学院毕业后,赵贵文考入广岛大学化学系继续深造。当时日本只有广岛和东京两所国立大学招收少量女生,女子进入综合性大学的机会极少。赵贵文是那次全考场唯一的女生。她以优异的成绩考入广岛大学。入学后,刻苦学习,赢得了师生们对这位"中国女性"的赞誉。

  1945年秋,赵贵文刚从大学毕业,就迫不及待地踏上了归国征途。抗日战争胜利更激励着她报效祖国的热情,她只得暂留伪满洲国长春大学任教。1949年2月赵贵文来到东北工业研究所(中国科学院应用化学研究所的前身),全身心地投入到科研中去。赵贵文敏感地意识到我国稀土资源丰富,稀土研究大有可为,赵贵文先生选定稀土及开发应用为研究方向,并负责组建了相应的课题组,为我国的稀土分离、分析研究和稀土工业进行了一系列的开创性工作。

  我国稀土资源虽很丰富,但解放前基本上没有开发应用。1949年中华人民共和国成立后,东北工业研究所于1950年12月成立稀有元素利用研究小组,由日籍留用专家吉村恂和赵贵文负责,开展褐廉石的全分析、分离钍及稀土的研究工作。1952年主要开展褐廉石矿分离钍、铈及稀土的研究,利用草酸-碳酸钠法对原矿进行处理,而得到含有钍和铈盐的混合物,并筹建稀有元素中间工厂。

  20世纪50年代初,我国石油化工急需钍作催化剂,赵贵文受东北工业部委托,由于褐廉石资源较少,对东北的独居石开展资源调查工作。1951年在驼腰子发现了独居石砂矿,并首次完成了稀土矿物的全分析及钍和稀土的定量分析,研究并完善了钍和稀土的分离工艺。

  为解决锦州石油六厂对钍催化剂的需要,长春应用化学研究所于1953年1月开始从独居石中提取钍的工作。实验室工作由赵贵文、钟焕邦、吴中健、郭恒富、易瑛、苏锵、姚克敏等同志参加。用浓硫酸分解独居石。在杨善济研究员带领下,长春应用化学研究所易瑛、姚克敏、苏锵等于1953年11月到锦州石油六厂建设钍的中间工厂,采用的工艺流程为由硫酸加热分解独居石,温水抽出,用真空蒸发锅浓缩,浓硫酸洗去磷酸根,用碳酸钠浓溶液抽出钍,加氢氧化钠沉淀得到氢氧化钍。

  1953年在锦州石油六厂建立了我国第一个提炼钍和稀土工厂,一方面解决了我国炼油急需的钍催化剂,另一方面也为我国进行稀土分离打下了基础。在项目攻关期间,赵贵文活跃在矿区、实验室和建厂工地,协调组织。她放弃了休息,一心想的是尽快地使祖国的资源开发出来、投入使用。她亲手测定和反复核对了大量数据,在实验室组织中试,保证了工厂的顺利建立和工艺一次成功。

  为了综合利用独居石,1954年长春应用化学研究所正式成立“稀土元素研究”课题组和研究室,由钟焕邦研究员负责。课题组根据稀土分离方法的复杂性,采用多种方法进行分离,包括分级沉淀、氧化还原、分级结晶、离子交换等方法。

  20世纪50年代后期,我国原子能科学和国际发展急需抗辐射的工程结构材料。当时在中国科学院土木建筑研究所工作的赵贵文接受了这项紧迫任务。她从材料抗辐射的机理出发,经过试验寻求并确认了可能利用的物质。根据实效的原则,赵贵文领导课题组日夜奋战,开发成功新型抗辐射的屏蔽材料—钡水泥和混凝土结构材料。经原子能科学研究院实测,屏蔽性能大大超过项目指标,圆满地完成了新材料开发任务并投入应用。

  20世纪60年代初,赵贵文调至建校不久的中国科学技术大学,从事分析化学和地球化学的教学和科研工作。这时,多年开采的广西栗木锡矿遇到品位下降的困难,在濒临停产的关键时刻,赵贵文受科技大学领导的委托,赴广西考察。在综合利用、提高效益的思想指导下,赵贵文先生率领由中国科技大学,广西冶金研究所等20多人组成的攻关组,在建立迅速、稳定的铌、钽分析方法的基础上,选取数千个典型样品,进行全面的分析。发现该矿尾砂中贵金属钽含量大于铌的反常分布(地球元素中丰度铌>钽),由此提出了钽、铌、锡、钨等综合利用继续开采的方案,救活了濒临报废的矿区。该矿区继续开采20多年,为国家做出了贡献。由该矿提炼的钽用于第一颗人造地球卫星。

  20世纪70年代末,中国的稀土科学蓬勃发展。全世界稀土资源的80%在中国,中国还具有成矿机理特殊,稀土配分独特,易于提炼处理的稀土矿产。稀土元素在化学科学中的重要地位和工农业应用诱人前景,都召唤着她积极投入该项研究工作中。赵贵文认识到:为了促进稀土科学与应用的发展,必须对作用机理有充分的认识,而这又离不开掌握先进的结构与成分分析的仪器和方法。同时她也认识到要完成上述任务,必须培养一大批高水平的科技人才。

  在迎接赶上世界先进水平的思想指导下,赵贵文在科研和研究生选题中,坚持创新。20世纪80年代初,高压液相色谱(HPLC)作为同时分离和测定的先进手段,迅速发展起来。赵贵文指导研究生首次完成了常量16种稀土元素的高压液相色谱分离,其中最难分离的镝和钇一对也得以分离,分离时间从几小时缩短到几十分钟。单一稀土的准确分析是分析化学界极为重视的困难课题。赵贵文指导研究生开展了等离子发射光谱(ICP-AES)和石墨炉原子吸收光谱分析方法及其机理的研究。据此首先完成了土壤中各稀土分量的测定,对南方离子吸附型稀土矿的分析得到不同矿层中稀土配分规律。在工作中还创造了化学溶液石墨管处理法,大大延长了石墨管的使用寿命,提高了测定的精密度和灵敏度。

  赵贵文等应用日本635型高效液相色谱及YSG—SO3Na强酸性阴离子交换树脂,以α-羟基异丁酸为淋洗液,采用浓度梯度法对16个稀土元素进行快速分离,在50分钟内16个稀土元素可得到分离,除Dy-Y分离度低于0.82外,其余稀土的分离度均大于1。

  1981年,赵贵文等完成了16种痕量稀土元素的高效液相色谱分离,该方法是以阳离子交换树脂为固定相、α-羟基异丁酸为洗脱剂,用pH梯度(pH 3.50~ pH 7.00),于75分钟内可将16个稀土元素分开,其中最难分离的镝(Dy)和钇(Y)也得以分离。

  赵贵文等还将化学因子分析和人工神经网络用于高效液相色谱分离定量稀土元素的工作中。首先用乳酸作淋洗液,偶氮胂Ⅲ作显色剂,在60分钟内完成了除Dy-Y和Gd-Eu外12个稀土元素的分离。对未完全分开的Dy-Y和Gd-Eu两对稀土元素,用化学因子分析方法,通过解析色谱二维数据矩阵,达到了重叠峰的定量分析。对Dy和Y的混合溶液及Gd和Eu的混合溶液进行了定量计算,结果表明化学因子分析计算结果同溶液含量有较好的一致性。

  随着稀土应用的逐步深入,赵贵文选择重要的应用方向,加强对其作用机理研究,力求在正确理论指导下高效地开展应用工作。20世纪70年代初开始,她在我国开展稀土农用研究,在国内外产生了较大影响。她担任全国稀土农用协作网的机理工作和安徽省稀土农用课题的主持人,坚持农业化学与稀土化学的密切结合,研究得出了土壤稀土含量和形态与稀土施用效能关系规律,土壤和植株中稀土分析标准方法,稀土施用与植物内微量元素的传输相关性,单一稀土在植物内的输运和对棉花等作物的作用等,这些都是稀土农用领域创新的工作,该项目获得国家科技进步二等奖,安徽省科技进步奖和三委一部的奖励等。为了取得农用效果的第一手材料,年已古稀的赵贵文还亲自下去指导,有一次竟晕倒在烈日之下,农场的同志都深受感动。她采用多种先进分析方法,对具有我国特色的稀土染色机理进行了深入研究,对稀土与染料,稀土与纤维,稀土促进染料与纤维的作用都得到了比较明确的结论,从而推动了稀土染色的发展。

  稀土在高温超导中的突破性进展更提示人们在稀土应用研究中一定要加强机理的研究,特别是重视稀土的形态、稀土的微结构和环境。赵贵文强调了结构分析和状态分析的重要性。一方面要组建和使用新型的先进分析仪器,另一方面要充分利用国家重要实验室的设备开展工作。要加强国际交流,尽快而有效地引入国际先进科学技术。光声光谱是国际上20世纪70年代发展起来的先进分析方法。赵贵文指导博士研究生开展此项工作。为了争取院内外的支持,她不顾高龄,在学校、科学院及各所之间奔波,废寝忘食。1982年,赵贵文与东京大学合作,在国内首次成功搭建了计算机检测单光束的凝聚态光声光谱仪,其性能优于国外商售仪器,而费用仅为其1/3。还组建了激光光声光谱仪及表面分析光声池等仪器。并用光声光谱法研究了稀土氧化物、氯化物、碳酸盐与氟化物及稀土纳米材料等,特别是对稀土配合物中稀土离子f-f跃迁及配合物的发光性质等进行了一系列的研究,延续10多年的光声光谱方向研究工作,开辟了固态稀土配合物光声光谱研究的新领域。建立了各种稀土配合物分子的激发弛豫模型,得到国际稀土化学和光谱界的关注。

  扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)是化合物、材料微结构的有效研究手段。赵贵文在北京高能物理研究所和中国科技大学同步辐射实验室组织了稀土高温超导材料、稀土发光材料、稀土配合物的EXAFS研究课题,并利用日本筑波同步辐射装置及广岛大学核四极共振等设备,对不同成分和相态的超导材料中稀土的形态和配位状况,高效发光材料中稀土配位键长与发光性能的关系,稀土配合物不同基团的具体配位状况等新结构的研究,对稀土新材料的研制均有相当的指导意义。由此建立的新的合成工艺和途径有助于高性能的超导材料、发光材料的制备。为将材料制备机理研究与新材料制备密切结合,赵贵文领导建立了真空热压、高温烧结等设备,特别是拉膜机的组建,为稀土氧化物和各种稀土功能材料纳米薄膜的制备和应用开辟了新的途径。

  稀土元素在植物中的分布及存在状态是极为重要的课题。为了确定稀土元素进入植物后,其存在的形态即与植物中那些生物大分子相结合。1989年赵贵文先生等首次在福建龙岩矿区采集铁芒萁等植物,用ICP-AES和分光光度法进行了铁芒萁植物根、茎、叶中稀土总量的测定,结果表明稀土总量都是叶大于茎。而矿区铁芒萁叶中稀土总量的平均值高达3037μg/g,与江西寻乌马尾松为 37.8μg/g(极谱法),相比高约80倍,与白云鄂博矿区铁花为21.1μg/g(化学光谱法),相比高约140倍的可喜成果。从而,她首次指出铁芒萁是一种高富集稀土的植物。赵贵文在研究稀土元素超积累植物铁芒萁中的传输过程中发现:在超积累植物铁芒萁的凯氏带两侧不能检出稀土元素的沉积,而在中柱细胞、木质部细胞的细胞壁、细胞间隙、小泡与液泡膜中均能检出稀土元素的沉积。据此,提出了铁芒萁中稀土元素是通过共质体传输和质外体传输的观点。这与传统的稀土元素只能通过质外体传输的观点是不同的。这对于超积累植物中稀土元素传输机理的了解是具有有重要学术和实用价值。发现稀土含量高的铁芒萁植物后,引起了许多稀土研究工作者的极大兴趣。一些学者提出了稀土与生物分子相结合的信息。但是这些体系中的稀土离子具体与哪些原子键合,配位原子的结构,化学键的性质等均未见报导。1999年赵贵文先生等首次从天然铁芒萁叶中分离出活体叶绿素a和b,用ICP-MS进行单一稀土的全分析,La元素含量最高,用扩展X射线吸收精细结构谱(EXAFS)分析确定了La原子周边近邻原子的种类、键长、配位等。将EXAFS信号进行了Fourier变换获得了La离子周围配位原子的径向分布函数,拟合结果表明La与8个N原子相配位,La-N键长0.259 nm。是与卟啉环形成双层夹心结构的配合物,同时表明了稀土元素进入叶绿体内。证明了多年喷施微量稀土能使叶绿素增加的机理。并为以后了解稀土与酶、蛋白质及多糖等结构研究,提供了新的研究方法。

  赵贵文对我国稀土分离、分析与应用研究做了大量开拓性的工作。承担了多项国家重要科研项目的研究。首先完成了独居石矿中钍与稀土的分离和定量分析,并在锦州建立了我国第一个提炼钍和稀土的工厂。首先成功地进行用高压液相色谱分离16种稀土元素的研究。组建成功中国第一台计算机检测单光束凝聚态光声光谱仪。综合采用各种先进方法,进行超导、稀土染色、稀土农用等作用机理的研究,以理论指导稀土应用及稀土新型材料的研制。

  赵贵文先生工作与国际同步且有中国特色的科研工作吸引和锻炼了大量研究生。她在近20年来,已培养出博士10人,硕士16人。他们正在国内外从事教学和科研工作,有的已经成为教授、博士生导师,或成为声誉卓著的青年科学家。从事科研和高等教育50 余年,培养的研究生均已成为高等学校或研究机构的教学和科研骨干。


赵贵文教授指导学生进行实验
 
 

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