[发明专利]一种纳米复合材料、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种纳米复合材料、其制备方法及应用。所述纳米复合材料以泡沫铜为基底，在铜表面原位分布有四硫化七铜纳米线纳米线阵列，纳米线表面可以包覆一层含氮碳膜或聚多巴胺膜。本发明亦提供了制备此种材料的方法：首先以泡沫铜为基底进行预处理；然后采用碱性刻蚀液进行刻蚀，原位生成针状氢氧化铜纳米线结构；通过低温硫化生成四硫化七铜纳米线；还可进一步浸泡于多巴胺的Tris缓冲溶液中反应，再将其烧结，使四硫化七铜纳米线表面包覆一层含氮碳膜。本发明的制备工艺简单、成本低廉，获得的三维纳米复合材料具有良好的导电性及其稳定性，能够实现高效杀菌，对于实际水体中的微生物灭杀处理具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米复合材料技术领域，具体涉及一种在低能耗下实现高效消毒的环保三维纳米复合材料及其制备方法和在水杀菌处理中的应用。

背景技术

众所周知，水资源对人们的生命、生产和生活至关重要。然而，随着社会的快速发展，人民生活水平的提高，水资源污染的程度也日益严重。尤其是饮用水污染问题，水中微生物超标已经严重威胁到人体的健康。据世界卫生组织统计，估计每年有超过84.2万例腹泻死亡是由于饮用不安全水、手部卫生不善导致的。如果能够解决这些问题，每年大约可以避免36.1万例五岁以下儿童死亡。因此，如何实现低能耗且高效率的水消毒处理成为亟待解决的问题。

传统的水处理技术主要包括氯系消毒法、臭氧处理法等化学方法以及紫外杀菌和活性炭吸附等物理方法。由于物理方法处理能力有限且成本高，臭氧处理会产生强氧化性自由基，对人体造成危害等问题，氯系消毒法是目前应用最广泛的方法。但是，氯系消毒法在水处理的同时会产生较多的消毒副产物(DBPs)：如三卤甲烷(THMs)、卤乙腈(HANs)、卤乙酸(HAAs)等，这些BDPs可能增加人们的患癌风险或产生其他慢性病。

随着纳米材料的不断发展，为解决传统水消毒技术的弊端，新型的纳米材料及处理技术被不断研究和探索。电穿孔杀菌技术在水消毒领域应运而生，由于其消毒速度快、不可逆、无副产物等优势得到广泛的认可。然而电穿孔杀菌技术需要施加一个极高的外电压(10³V-10⁶V)，这也带来了高能耗以及安全性隐患问题。

David T.Schoen等人发现可以通过导电纳米线尖端实现电场的高度集中，在20V的外加电压下实现大肠杆菌的杀菌；随后，研究人员开始将一维纳米线结构应用到电穿孔杀菌领域。Chong Liu等人通过一步氧化法在铜网上制备了CuONWs，并将两个平行的CuONWs网状电极压缩在一个在线过滤器支架内，外加电压施加到两个平行电极，在整个过程中流经CuONWs附近的细菌和病毒在强电场下发生电穿孔失活。以上的研究在一定程度上解决了电穿孔杀菌的高能耗问题，但是这些材料的制备及应用仍然没有实现高效率的水消毒效果，其处理速度远不能达到实际应用。因此，如何通过简单的方法制备一种三维纳米材料实现在低能耗下大流速的水消毒处理，是电杀菌技术实际应用的重要课题。

公开号为CN109665599A的中国专利申请公开了一种低电压高流速下杀菌复合材料的制备方法，此专利中提出，采用一步热氧化法处理，生成针状金属硫化物纳米线状结构，并在纳米线材料上沉积一层含氮碳膜，形成导电纳米碳层/泡沫硫化金属的多功能杀菌材料，其在一定程度上解决了现在电杀菌技术流速低的问题，但由于材料为简单的一维线性结构，仅在纳米线尖端产生增强电场作用，因此增强电场位点数较少，电穿孔杀菌效果提升不是很明显。并且，申请人还发现，该材料在水消毒处理过程中，稳定性较差，仅能维持1.5小时左右的持续杀菌能力，在1.5小时左右之后，其杀菌效果显著降低。