[发明专利]基于超润湿表面的金属半导体异质结构光催化滤网的制备

说明书

本发明提出一种基于超润湿表面的金属半导体异质结构光催化滤网的制备。在宽谱太阳光垂直入射时，纤维表面金属纳米颗粒的表面等离激元被激发，强烈地吸收入射光并转化为高能电子注入到纤维中，由于纳米纤维包含丰富的晶面与晶相，其形成的不同能带结构，可引导高能电子进一步分离，增强光催化活性。金属纳米结构表面的疏水特性使得其附近存在大量自由氧分子，不仅可高效、持久地发生光催化分解，而且疏水作用也有助于增强对污染物的吸附能力。此外，不同的表面浸润特性也使其具有无支撑、自漂浮的特点，亲水部分可以实现水分子和污染物的快速输运，阻挡水中的大颗粒物和盐分，避免大尺寸颗粒对滤网结构的破坏，显著提高了滤网的稳定性。

技术领域

本发明涉及纳米材料领域、环境保护和薄膜器件领域，具体涉及一种基于超润湿表面的金属-半导体异质结构光催化滤网。

背景技术

在污染日益严重的今天，利用半导体金属氧化物的光催化性能对空气或水中的污染物进行催化降解普遍被人们认为具有极大的发展前景。传统光催化材料，如二氧化钛、氧化锌等材料因其高化学稳定性、环境友好及工艺简单成本低等优势受到人们广泛关注，但其带来的低光催化量子效率(单一结构中显著的光生电子-空穴对的再复合效应)，较低的光能利用效率(禁带宽度限制其只能响应短波段的光)，以及与传统滤网结构兼容性差等众多缺陷使得光催化净化的使用场景受到局限。因此寻求一种新机理、多功能的复合光催化空气/水净化滤网结构是当前研究人员的热点研究方向。

为了实现有效的光生电子-空穴对的分离以及可拓展到可见乃至红外光波段的宽太阳光谱响应，利用表面等离激元金属纳米结构进行半导体金属氧化物的表面改性是有效手段之一。表面等离激元是指当入射光照射到金属表面时，自由电子在光场的驱动下产生的表面波谐振。这种局域化的光子-电子谐振，可通过表面等离激元结构的形貌、尺寸和周围环境折射率等进行调谐，在光谱上则体现出可见至红外波段峰值可调的吸收峰。与此同时，金属表面等离激元在非辐射跃迁中还会产生高能电子，即人们所说的“热电子”，该种高能电子因其具有足够的能量，从而可以克服表面等离激元金属纳米结构与半导体纳米材料之间的势垒(即“肖特基势垒”)，快速注入到半导体纳米材料中，最终参与到光化学反应中。该种基于表面等离激元效应诱导的热电子传输机制将有效的实现光生电子-空穴对的分离，显著提高催化材料的光催化效率。

除了从纳米尺度上对催化材料进行优化设计之外，研究还发现，污染物的降解能力还取决于其接触的表面结构的浸润特性。对于大多数的光催化剂而言，其制备过程往往在水基体系中完成，材料表面基本上呈亲水特性。然而，大多数的有机污染物更倾向于吸附在不那么亲水的表面，尤其是表面有一定化学键修饰、具有相当粗糙度的表面结构，更容易吸附和固定这些污染物。因此，从微米尺度上对光催化材料的表面特性进行改性，以进一步提升对各种污染物的吸附与降解能力，将更进一步发挥光催化材料的潜能。

此外，考虑到实际环境应用，相比于粉末型，薄膜型的光催化结构具有即插即用、无二次污染以及稳定和使用寿命长等优势，是当前光催化水/空气净化领域的主要研究趋势。传统的光催化滤网通常是用过滤棉棉基材料、铝镍基材料过滤网以及无纺布过滤网等作为基体来吸附光催化材料构成的。这样制备出的光催化滤网存在对光催化材料吸附能力差、空气透过性差以及成本高体积大等诸多问题。大面积、程控的静电纺丝技术为实现可大面积制备、高透光性、高空气透过性以及高效吸附能力的滤网结构提供了有效解决途径。静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，通常是将聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形，即泰勒锥，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种由聚合物形成的微纳级纤维细丝具有柔性轻质、多孔以及透光特性，表面自身携带的化学基团赋予了其高吸附性，同时还易于表面改性与其他材料体系相兼容。制备过程高度可控，快速且成本低廉，只需通过调整相关纺丝参数，便可满足不同应用需求。