[发明专利]一种自漂浮光热光催化纳米纤维膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种自漂浮光热光催化剂及其制备方法。所述光热光催化剂呈纳米纤维膜状，由光热层、光催化层和疏水层构成。制备方法包括：首先静电纺丝制备偕胺肟改性聚丙烯腈纳米纤维膜，然后原位生长四氧化三铁形成光热层，再通过静电喷雾在光热层单面负载光催化层，最后通过化学接枝聚二甲基硅氧烷在光催化层表面构建疏水层。与现有技术相比，本发明中光热光催化剂可以自漂浮于废水表面，显著改善传统光热光催化体系中光经过溶液造成的光强损失以及Osubgt;2/subgt;浓度偏低等问题，在利用太阳光处理废水中有机污染物领域极具应用前景。

技术领域

本发明属于光催化与废水处理技术领域，具体为一种用于废水中染料等有机污染物氧化降解领域的自漂浮光热光催化纳米纤维膜及其制备方法。

背景技术

光催化技术作为一种绿色环境净化技术，能够将太阳能转化为化学能，通过产生强氧化性物种深度降解及矿化有机污染物，在工业废水治理领域受到广泛关注。目前最常用的半导体光催化剂包括二氧化钛(TiO₂)、硫化镉(CdS)和石墨相氮化碳(g-C₃N₄)等，它们都具有成本低、稳定性高和无毒无害等优点，目前已具有相关商业化产品(如P25等)。但是这些光催化剂均受到禁带宽度较大的限制，仅能利用紫外光或小部分可见光进行光催化反应，严重限制了对太阳光的利用效率。如何拓展光催化剂的光谱响应范围，实现对太阳光中占比达到～95％的宽谱可见光和近红外光的有效利用，成为推动光催化技术进一步发展的核心问题之一。

将具有宽谱光吸收性能的光热材料与半导体光催化剂进行复合，构建的光热光催化体系有望实现高效利用太阳光治理废水。在光热光催化过程中，光催化剂在紫外光或小部分可见光激发下产生光生载流子，并用于驱动后续的氧化还原反应；而光热材料则能够吸收宽谱可见光和近红外光，甚至实现对太阳光的全谱吸收，并将光能转化为热能，这种光热效应产生的热量可以传递至光催化反应界面，加速反应物分子的热运动，从而大幅提升光催化反应效率。因此，光热光催化技术在提升太阳光利用率方面极具应用前景，但其在废水处理领域仍有两个瓶颈问题亟待解决：(1)染料等有机污染物能够吸收部分可见光和近红外光，从而降低了太阳光到达溶液中光热光催化材料表面的辐射强度，进而削弱其光热效应；(2)氧气(O₂)捕捉光生电子是实现载流子分离并产生活性物种的重要途径，但光热光催化界面温度的上升会造成O₂浓度急剧降低，严重影响其光催化反应效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可自漂浮于水溶液表面的光热光催化纳米纤维膜，通过自漂浮避免污染物对太阳光的拦截，同时构建气液固三相体系解决光热光催化界面O₂浓度的限制。该催化剂具有制备成本低、光谱响应范围宽、光催化效率高、太阳光利用率高和易于回收利用等特点。

本发明所采用的技术方案，是使用静电纺丝制备的改性聚丙烯腈纳米纤维膜作为基材，通过原位生长法构建高粗糙度的Fe₃O₄光热层，然后通过静电喷雾负载光催化层，最后借助化学接枝聚二甲基硅氧烷(PDMS)构建疏水通气层，形成可自漂浮的光热光催化纳米纤维膜。其具体步骤为：

1)配制质量百分比为6-12％的聚丙烯腈/DMF纺丝液，升温至60-75℃后加入0.6-1.2g盐酸羟胺，搅拌反应2-3h后将所得纺丝液置于注射器中，静电纺丝10-18h得到偕胺肟改性聚丙烯腈纳米纤维膜。

2)将步骤1得到的纳米纤维膜裁剪成约2cm×2cm尺寸的正方形，添加至50mLFeCl₃·6H₂O和FeSO₄·7H₂O的混合水溶液中，其质量分数分别为3.6-7.2％和2.0-4.0％，升温至60-70℃后将20-30mL质量分数为3-5％的稀氨水溶液匀速滴加至上述溶液中，继续在60-70℃和搅拌条件下反应2-4h，获得负载Fe₃O₄的光热纳米纤维膜。