微晶纤维素@金红石型纳米二氧化钛核壳复合材料的低温合成及其广谱紫外线防护机制研究

推荐：为解决物理防晒剂纳米TiO2光稳定性差、广谱防护不足等问题，研究人员通过TiCl4低温水解法合成具有金红石型/混晶型纳米TiO2壳层的微晶纤维素(MCC@nano-TiO2)复合材料。该材料通过多孔结构增强光反射/散射，实现SPFin vitro达7.54、临界波长λc达373 nm的广谱防护，为生物质高值化利用提供新思路。

　　

紫外线辐射是引发皮肤光老化、DNA损伤甚至皮肤癌的重要因素，其中UVA（320-400 nm）因穿透力强成为防护难点。传统物理防晒剂纳米二氧化钛(nano-TiO₂)存在光催化活性高、广谱防护不足等问题，而化学防晒剂可能引发皮肤过敏。微晶纤维素(MCC)作为植物提取的生物质材料，具有天然紫外反射特性，但其单独使用难以满足防晒需求。如何通过材料复合实现高效、安全的广谱紫外线防护，成为当前研究的重要挑战。

针对这一科学问题，湖北工业大学制浆造纸工程学院的Huizhong Yu等人在《Industrial Crops and Products》发表研究，通过TiCl₄低温水解法（pH 0.4-1.6，35℃）调控MCC与nano-TiO₂质量比（90:10至0:100），成功制备出具有纯金红石型、混晶型（WR=89.84%）及纯锐钛矿型纳米TiO₂壳层的MCC@nano-TiO₂复合材料。关键技术包括：X射线衍射(XRD)和拉曼光谱分析晶体结构，扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征形貌，紫外-可见光谱评估SPF_{in vitro}和临界波长λ_c等防晒指标。

3.1 形貌特征

研究发现，当nano-TiO₂含量≥40%时，材料表面形成由不规则板状金红石簇堆叠而成的多孔结构（SEM显示孔径1-5 μm），这种结构较锐钛矿型样品增大了有效散射体积。EDS线扫证实核壳结构的成功构建，其中60:40质量比样品表面Ti信号强度显著提升。

3.2 晶体结构

XRD和HRTEM证实：低nano-TiO₂含量（≤30%）时生成纯锐钛矿相（D_A101=3.88 nm），而40%含量时出现混晶相（金红石占比89.84%），≥50%时获得纯金红石相（D_R110=7.59 nm）。这是首次在低温条件下制备出纯金红石型MCC@nano-TiO₂。

3.5 紫外线防护性能

混晶型样品展现出最优广谱防护：λ_c=373 nm（＞370 nm广谱标准），SPF_{in vitro}=7.54，UVAPF₀/SPF_{in vitro}=0.62。其性能源于：1）金红石相高折射率（2.7）增强光局域化效应；2）多孔结构提升UVA散射；3）MCC与nano-TiO₂界面折射率差异促进紫外光捕获。

这项研究创新性地揭示了生物质材料与无机纳米颗粒复合的广谱防晒机制。通过精准调控nano-TiO₂晶型与含量，不仅解决了纯锐钛矿相UVA防护弱的问题，还避免了化学防晒剂的皮肤刺激性。所开发的MCC@nano-TiO₂复合材料在仅含2-3% nano-TiO₂的配方中即达到商业防晒剂（含6.5% nano-TiO₂+10% ZnO）的防护效果，为农业废弃物（如茶渣、玉米芯）的高值化利用提供了新途径。该成果对开发安全、高效的生物基防晒产品具有重要指导意义。