一种热电增强光催化纤毛阵列及其制备方法

1.本发明属于功能复合材料制备技术领域，特别涉及一种热电增强光催化纤毛阵列及其制备方法。


背景技术：

2.半导体光催化技术在解决能源与环境问题上发挥着重要的作用，其基本原理是通过光子激发出半导体光催化剂价带上的电子，使其跃迁进入导带，并在原处留下空穴。然而，光生电子-空穴对容易发生复合，使得光催化剂性能的发挥受到限制。研究表明，通过构筑电场来实现光生电子-空穴对的分离，可以有效提升光催化剂的反应速率。热电材料具有塞贝克效应，可以在两端具有温度差的情况下产生电势差，这种电势差可以使得光生电子向电势高的方向迁移，光生空穴向电势低的方向迁移，实现在光催化过程中对光生电子-空穴对的分离。另一方面，太阳光谱利用率低也是抑制光催化性能提升的重要因素。近红外光中的低能量光子无法激发出价带电子，使得在光催化过程中，太阳能中的大量能量被浪费。中国专利cn114749169a将光催化剂负载在热电材料制成的热电基底上，提升光催化剂的降解性能；中国专利cn103551198b将光催化剂负载在表面改性的纤毛状仿生阵列上，该光催化阵列在高速旋转的磁场中实现催化体系内高效的混合传质和获得很好的光催化活性。但是，上述技术在使用过程中需要使用额外的能量，引入其他的介质才能达到提高光催化降解能力的技术效果。因此，探索一种简单的方法来同时提升太阳光谱利用率并分离光生载流子对半导体光催化技术的工业化应用有着重要的意义。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明提出了一种热电增强光催化纤毛阵列及其制备方法。
4.本发明的技术方案如下：
5.一种热电增强光催化纤毛阵列，包括柔性纤毛阵列基底、热电材料和光催化剂；热电材料包覆在柔性纤毛基底的表面形成热电纤毛阵列，所述热电纤毛阵列分为负载区和非负载区，所述光催化剂负载在热电纤毛阵列的负载区上；所述热电材料为在近红外光波段有良好吸收的导电聚合物。
6.优选的，所述导电聚合物为盐酸掺杂的聚苯胺(hcl-pani)或聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(pedot:pss)，可以通过自组装的方法沉积在柔性纤毛基底上。
7.优选的，光催化剂为氮化碳(c3n4)、硫化镉(cds)、氧化锌(zno)中的任一种。
8.所述热电增强光催化纤毛阵列的制备方法，包括以下步骤：
9.(1)将纤毛基底主原料溶于n，n-二甲基甲酰胺中，加入钴粉，搅拌分散均匀，得到基底前驱液，再将基底前驱液倒入聚四氟乙烯模具中，并置于磁场中诱导钴粉自组装，然后在50-80℃加热2-8h，使溶剂挥发，得到柔性纤毛基底；
10.(2)将柔性纤毛基底浸入热电材料与nafion乙醇溶液组成的混合溶液中，在50-70℃加热0.5-2h，使溶剂挥发，得到热电纤毛阵列；
11.(3)将热电纤毛阵列负载区浸入光催化剂与nafion乙醇溶液组成的混合溶液中，在50-70℃加热0.5-2h，使溶剂挥发，得到热电增强光催化纤毛阵列。
12.优选的，步骤(1)中钴粉占纤毛基底主原料质量的5％-30％；纤毛基底主原料为聚偏氟乙烯(pvdf)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚氨酯(pu)中的任一种。
13.优选的，步骤(1)磁场强度为1000-10000gs。
14.优选的，步骤(2)中热电材料占nafion乙醇溶液质量的0.1％-3％。
15.优选的，步骤(3)中光催化剂占nafion乙醇溶液质量的0.1％-1％。
16.所述热电增强光催化纤毛阵列应用于光催化降解有机污染物：将热电增强光催化纤毛阵列负载有光催化剂的部分浸入含有有机污染物的溶液中，在太阳光照射下进行光催化反应，降解有机污染物。
17.本发明的有益效果如下：
18.1，本发明的热电增强光催化纤毛阵列在使用时将负载光催化剂的部分浸入水溶液中，非负载区的热电材料暴露在空气中，可以直接吸收近红外光产生热量，利用水与空气热导率的差异，使得热电增强光催化纤毛阵列的负载区和非负载区产生温差，激发热电效应，分离光生电子-空穴对，提高光催化效率。
19.2，本发明无需引入额外的能量，仅利用太阳光中天然存在的近红外光产生热量，便可实现激发热电效应的技术效果，并同时解决了太阳光谱利用率低和光生电子-空穴对容易复合的问题。
20.3，本发明的柔性纤毛基底扩大了光催化剂与溶液的接触面积，并通过减反射结构提高了光利用率。
21.4，本发明采用自组装法，将热电材料与光催化剂负载在柔性纤毛基底上，制备方法简单，具有很好的普适性。
附图说明：
22.图1为热电增强光催化纤毛阵列的结构示意图，其中附图标记为：1.暴露在空气中的非负载区，2.浸入水溶液中的负载区，3.柔性纤毛基底，4.热电材料层，5.光催化剂层；
23.图2为实施例1与对比例1的光催化性能对比图；
24.图3为实施例2与对比例2的光催化性能对比图；
25.图4为实施例3与对比例1的光催化性能对比图；
26.图5为实施例1与对比例3的光催化性能对比图。
具体实施方式
27.为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行描述，这些描述只是进一步解释本发明的特征和优点，并非用于限制本发明的权利要求。
28.实施例1
29.(1)取10g聚偏氟乙烯，溶于100mln，n-二甲基甲酰胺中，加入1g钴粉，搅拌分散均匀，得到基底前驱液；再取5ml基底前驱液，倒入27
×
27
×
7mm的长方形聚四氟乙烯模具中，将模具置入6000gs的磁场中，在70℃加热4h，使溶剂挥发，得到柔性纤毛基底；
30.(2)将50mg盐酸掺杂的聚苯胺(hcl-pani)分散在3.95g0.5％的nafion乙醇溶液
中，再将柔性纤毛基底浸入其中，在60℃加热1h，得到热电纤毛阵列；
31.(3)将3.75mg氮化碳(c3n4)分散在2.37g0.5％的nafion乙醇溶液中，再将热电纤毛阵列负载区浸入其中，在60℃加热1h，得到热电增强光催化纤毛阵列。
32.实施例2
33.(1)取10g聚偏氟乙烯，溶于100mln，n-二甲基甲酰胺中，加入1g钴粉，搅拌分散均匀，得到基底前驱液；再取5ml基底前驱液，倒入27
×
27
×
7mm的长方形聚四氟乙烯模具中，将模具置入6000gs的磁场中，在70℃加热4h，得到柔性纤毛基底；
34.(2)将50mg盐酸掺杂的聚苯胺(hcl-pani)均匀分散在3.95g0.5％的nafion乙醇溶液中，再将柔性纤毛基底浸入其中，在60℃加热1h，得到热电纤毛阵列；
35.(3)将3.75mg硫化镉(cds)均匀分散在2.37g0.5％的nafion乙醇溶液中，再将热电纤毛阵列负载区浸入其中，在60℃加热1h，得到热电增强光催化纤毛阵列。
36.实施例3
37.(1)取10g聚偏氟乙烯，溶于100mln，n-二甲基甲酰胺中，加入1g钴粉，搅拌分散均匀，得到基底前驱液；再取5ml基底前驱液，倒入27
×
27
×
7mm的长方形聚四氟乙烯模具中，将模具置入6000gs的磁场中，在70℃加热4h，得到柔性纤毛基底；
38.(2)将50mg聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(pedot:pss)均匀分散在3.95g0.5％的nafion乙醇溶液中，再将柔性纤毛基底浸入其中，在60℃加热1h，得到热电纤毛阵列；
39.(3)将3.75mg氮化碳(c3n4)分散在2.37g0.5％的nafion乙醇溶液中，再将热电纤毛阵列负载区浸入其中，在60℃加热1h，得到热电增强光催化纤毛阵列。
40.对比例1
41.(1)取10g聚偏氟乙烯，溶于100mln，n-二甲基甲酰胺中，加入1g钴粉，搅拌分散均匀，得到基底前驱液；再取5ml基底前驱液，倒入27
×
27
×
7mm的长方形聚四氟乙烯模具中，将模具置入6000gs的磁场中，在70℃加热4h，使溶剂挥发，得到柔性纤毛基底；
42.(2)将3.75mg氮化碳(c3n4)分散在2.37g0.5％的nafion乙醇溶液中，再将柔性纤毛基底浸入其中，在60℃加热1h，得到光催化纤毛阵列。
43.对比例2
44.(1)取10g聚偏氟乙烯，溶于100mln，n-二甲基甲酰胺中，加入1g钴粉，搅拌分散均匀，得到基底前驱液；再取5ml基底前驱液，倒入27
×
27
×
7mm的长方形聚四氟乙烯模具中，将模具置入6000gs的磁场中，在70℃加热4h，得到柔性纤毛基底；
45.(2)将3.75mg硫化镉(cds)均匀分散在2.37g0.5％的nafion乙醇溶液中，再将柔性纤毛基底浸入其中，在60℃加热1h，得到光催化纤毛阵列。
46.对比例3
47.(1)取10g聚偏氟乙烯，溶于100mln，n-二甲基甲酰胺中，加入1g钴粉，搅拌分散均匀，得到基底前驱液；再取5ml基底前驱液，倒入27
×
27
×
7mm的长方形聚四氟乙烯模具中，在70℃加热4h，使溶剂挥发，得到柔性薄膜基底；
48.(2)将50mg盐酸掺杂的聚苯胺(hcl-pani)分散在3.95g0.5％的nafion乙醇溶液中，再将柔性薄膜基底浸入其中，在60℃加热1h，得到热电薄膜；
49.(3)将3.75mg氮化碳(c3n4)分散在2.37g0.5％的nafion乙醇溶液中，再将热电薄膜
浸入其中，在60℃加热1h，得到热电增强光催化薄膜。
50.通过光催化降解甲基橙溶液进行光催化性能评价，具体操作为：将热电增强光催化纤毛阵列的负载光催化剂的部分浸入50ml甲基橙溶液中，使用300w全光谱氙灯模拟太阳光，光照反应90min。
51.图2为实施例1与对比例1的光催化性能对比图，可以看出，当负载热电材料hcl-pani时，c3n4的光催化降解率从71.5％提升至93.5％，反应效率常数为未负载热电材料时的2.18倍。
52.图3为实施例2与对比例2的光催化性能对比图，可以看出，当负载热电材料hcl-pani时，cds的光催化降解率从64.3％提升至91.4％，反应效率常数为未负载热电材料时的2.38倍。
53.图4为实施例3与对比例1的光催化性能对比图，可以看出，当负载热电材料pedot:pss时，c3n4的光催化降解率从71.5％提升至90.0％，反应效率常数为未负载热电材料时的1.91倍。
54.图5为实施例1与对比例3的光催化性能对比图，可以看出，相比于以聚偏氟乙烯薄膜作为基底材料，c3n4/pani光催化纤毛阵列的光催化降解率从58.0％提升至93.5％，反应效率常数为薄膜的3.14倍。

技术特征：
1.一种热电增强光催化纤毛阵列，其特征在于，包括柔性纤毛阵列基底、热电材料和光催化剂；所述热电材料包覆在柔性纤毛基底的表面形成热电纤毛阵列，所述热电纤毛阵列分为负载区和非负载区，所述光催化剂负载在热电纤毛阵列的负载区上；所述热电材料为在近红外光波段有良好吸收的导电聚合物。2.根据权利要求1所述的热电增强光催化纤毛阵列，其特征在于，所述导电聚合物为盐酸掺杂的聚苯胺或聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸。3.根据权利要求1所述的热电增强光催化纤毛阵列，其特征在于，光催化剂为氮化碳、硫化镉、氧化锌中的任一种。4.权利要求1-3任一项所述的热电增强光催化纤毛阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将纤毛基底主原料溶于n，n-二甲基甲酰胺中，加入钴粉，搅拌分散，得到基底前驱液，再将基底前驱液倒入聚四氟乙烯模具中，并置于磁场中诱导钴粉自组装，然后在50-80℃加热2-8h，得到柔性纤毛基底；(2)将柔性纤毛基底浸入热电材料与nafion乙醇溶液组成的混合溶液中，在50-70℃加热0.5-2h，得到热电纤毛阵列；(3)将热电纤毛阵列负载区浸入光催化剂与nafion乙醇溶液组成的混合溶液中，在50-70℃加热0.5-2h，得到热电增强光催化纤毛阵列。5.根据权利要求4所述的热电增强光催化纤毛阵列的制备方法，其特征在于，步骤(1)中钴粉占纤毛基底主原料质量的5％-30％。6.根据权利要求4所述的热电增强光催化纤毛阵列的制备方法，其特征在于，步骤(1)中纤毛基底主原料为聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯中的任一种。7.根据权利要求4所述的热电增强光催化纤毛阵列的制备方法，其特征在于，步骤(1)磁场强度为1000-10000gs。8.根据权利要求4所述的热电增强光催化纤毛阵列的制备方法，其特征在于，步骤(2)中热电材料占nafion乙醇溶液质量的0.1％-3％。9.根据权利要求4所述的热电增强光催化纤毛阵列的制备方法，其特征在于，步骤(3)中光催化剂占nafion乙醇溶液质量的0.1％-1％。10.权利要求1-3任一项所述的热电增强光催化纤毛阵列应用于光催化降解有机污染物。

技术总结
本发明属于功能复合材料制备技术领域，具体涉及一种热电增强光催化纤毛阵列及其制备方法。本发明通过磁场诱导自组装制备柔性纤毛基底，并采用自组装法负载了热电材料和光催化剂。本发明用于光催化降解有机污染物时，将负载光催化剂的部分浸入水溶液中，利用热电材料可以直接吸收近红外光的性能产生热量，并借助水和空气热导率的差异，产生温差，激发热电效应分离光生电子-空穴对，提高光催化性能。提高光催化性能。


技术研发人员：陈雨凯 王睿哲 董如林 王丹
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/8/9