[发明专利]一种磁控动态纤毛状仿生光催化阵列及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光催化领域，特别涉及一种磁控动态纤毛状仿生光催化阵列及其制备方法。

背景技术

近年来，由于世界范围内能源和环境问题日趋严重，利用光催化降解污染进行环境净化被认为是一种环境友好，绿色和高效的新技术。相对于光催化的悬浮体系，光催化薄膜的优点在于将光催化剂担载于载体上，使用后无需离心或者过滤分离即可以实现重复利用，因此光催化薄膜的开发和应用更具有实用价值。同时，大量的研究已经将光催化剂担载于玻璃，金属和高分子薄膜等基体上。但是，此类光催化薄膜中存在着低比表面积和低光能利用效率的问题，同时，反应体系中传质过程依赖于扩散或者外部搅拌分散等限制因素，制约了光催化薄膜催化效率的提高和更广泛的应用。目前，通过制备多孔/介孔光催化薄膜提高光催化薄膜的比表面积，或者通过将光催化剂沉积在阵列载体上及在薄膜表面构筑光催化剂的阵列提高光催化薄膜的光利用效率，在一定程度上提高了光催化效率。中国专利CN101856609A将TiO₂负载于海绵状钛上，利用载体的多孔性，提高了催化剂的比表面；中国专利CN1799687将TiO₂负载于活性碳纤维上，利用活性碳纤维的高比表面积和吸附特性来提高光催化薄膜的吸附能力和光利用效率；中国专利CN101632943B公布了多孔材料外负载TiO₂-X/C_surf.复合体，将催化物质封堵于多孔载体表面，提高了催化剂的比表面；中国专利CN02125716.7通过把造孔剂炭黑引入TiO2的溶胶中，在涂覆的基板上形成多孔的表面提高比表面积和光利用效率；中国专利CN101670260B在毛细管表面构筑了ZnO的纳米阵列，提高了催化剂与反应液的接触面积。尽管此类技术弥补了光催化薄膜低表面积和低光能利用效率问题，但是，在使用中，光催化薄膜处于静止状态，污染物在光催化体系内的传质过程依赖于被动的扩散作用或者外部搅拌，特别是在纳微米范围内的传质过程作用很弱，光催化反应经常出现传质限制，污染物不能被快速的传递至光催化活性位置进行有效的降解；同时光催化反应的降解产物竞争性的吸附在光催化薄膜表面，不能有效的脱附以暴露出催化活性位置，从而降低了光催化薄膜的催化活性。

发明内容

本发明的目的在于完善现有技术的不足，提供一种磁控动态纤毛状仿生光催化阵列及其制备方法。

为实现上述目的，本发明具体的技术方案为：

一种磁控动态纤毛状仿生光催化阵列，由纤毛状仿生阵列(3)、阵列表面改性层(2)以及光催化功能层(1)构成，所述的磁控动态纤毛状仿生光催化阵列，其高度为50-10000μm，其阵列密度（每平方毫米面积上阵列的数目）为10-700mm^-2，其直径为5-100μm。

所述的纤毛状仿生阵列（3），由有机硅树脂和磁性粉体为主原料组装构成，所述的磁性粉体重量为有机硅树脂重量的5-50%；

所述的阵列表面改性层（2），由厚度为5-50nm的石墨烯构成；

所述的光催化功能层（1），由厚度为100-1000nm的氧化物光催化剂或氮化物光催化剂构成。

所述的磁性粉体为颗粒粒径在100-800nm范围的Co或铁氧体中的任一种。

所述的氧化物光催化剂为TiO₂、改性TiO₂、ZnO、BiVO₄中的任一种；

所述的氮化物光催化剂为TaON或C₃N₄中的任一种。

本发明还公开了上述磁控动态纤毛状仿生光催化阵列的制备方法，包括以下步骤：

（1）纤毛状仿生阵列的制备：按所需的磁性粉体与有机硅树脂的重量比例，称取原料；同时，按照二甲苯与有机硅树脂的重量比为4-9:6-1，加入二甲苯并以150-200W超声分散5-10min后，采用1000-1500r/min机械搅拌分散50-90min，加入有机硅树脂重量5-20%的脱醇型交联剂，继续搅拌5-10min得到树脂-磁粉悬浮液；将均化好的树脂-磁粉悬浮液注入5-50×5-50×0.05-10mm的模具中，并置于3000-10000Gs的均匀垂直磁场中诱导磁性粉体自组装，60-80℃固化4-12h，得到均匀的纤毛状仿生阵列；