磁驱动仿生纤毛的制备及光催化应用

磁驱动仿生纤毛的制备及光催化应用环境污染严重影响到人类生存环境，环境净化和防治已经成为世界性问题。光催化以其降解效率高、条件温和、无二次污染的优点，在环境净化中的应用引起了广泛的关注。负载型光催化薄膜便于分离和重复使用，成为光催化应用的关键技术。然而传统光催化薄膜表面纳/微尺度的传质主要依靠被动的分子扩散，不充分的传质限制了光催化薄膜活性的提高。如何有效增强纳/微尺度的流体混合，增强传质成为关键性问题。受生物纤毛微流体操控功能启发，人们制备出具有类似功能的仿生纤毛，其在外场驱动下模拟生物纤毛运动，形成微流体加速混合。本论文将仿生纤毛纤毛状仿生阵列引入光催化薄膜设计中，以构筑纤毛状仿生光催化阵列为主要研究对象，以微流体混合性能调控为手段，通过磁场诱导自组装法制备纤毛状仿生阵列并进行光催化功能复合，深入探讨复合结构与光催化性能间的关系，并对该新颖平台的拓展性进行了探索。1磁场诱导自组装制备纤毛状仿生阵列及其结构参数调节以聚二甲基硅氧烷PDMS为基体，通过磁场诱导CO自组装法制备纤毛状仿生阵列，研究了自组装工艺，磁粉含量、PDMS浓度、模具高度、模具尺寸等参数变化与阵列结构演变间的内在规律。研究发现，所制备的纤毛状阵列以连续PDMS薄膜为基底，具有好的机械稳定性和结构柔韧性；自组装工艺调节可以实现阵列结构单元直径1590M、阵列结构单元密度7690ARRAY/MM2、阵列结构单元高度005300MM、阵列面积高达5050MM2等不同结构参数样品的制备，不同规格纤毛状阵列的制备成为对其微流体混合性能及光学性能优化研究的基础。表1CO含量及PDMS浓度对结构参数协同影响实验配方表注“”表示不能得到均匀的样品2磁驱动作用下纤毛状仿生阵列的微流体混合性能及光学性能为实现功能化，需对纤毛状仿生阵列的性能进行优化，在对其磁致形变分析基础上，通过示踪剂法研究了磁驱动阵列形成微流体及阵列结构参数对微流体混合性能的影响，同时研究了微阵列结构对样品200700NM光反射率影响。研究表明，阵列结构单元在外场诱导下的偏角随磁场强度、阵列结构单元高度的增加而增加，随阵列结构单元直径的减小而增加，3MM样品的偏角可达60。磁驱动纤毛状阵列模拟生物纤毛运动，推动液体流动形成微流体，加速对流传质，其混合性能可通过结构参数优化。实验条件下，样品混合性能随阵列结构单元密度、高度及直径的增加而增强，随磁驱动频率的提高先增强后降低，以140HZ时具有最好混合效果。表面微阵列结构显著降低200700NM光反射率，3MM纤毛状阵列的平均反射率较平面结构薄膜下降约87。图1纤毛状光催化阵列的微流体混合性能3纤毛状仿生阵列的功能化及其光催化性能研究通过PDMS基体等离子改性、表面石墨烯改性及TIO2液相沉积等过程，成功制备了纤毛状仿生光催化阵列AGT。阵列表面功能化对阵列结构磁驱动性能及流体混合性能没有显著影响。表面光催化剂复合显著提高了AGT的光催化性能，静止AGT进行催化时，其催化性能随阵列结构单元高度、密度的增加而提高。以旋转磁场驱动AGT进行光催化时，其催化性能随磁驱动频率的提高而提高，实验条件下，当140HZ驱动时达到最大，其表观速率常数K是静止AGT的23倍，是外部搅拌分散的14倍。AGT具有稳定的光催化性能，连续5次循环使用，其光催化降解效率能够保持高达95。磁驱动的AGT表现出高效的微流体混合，促进光催化性能提高。06012018024030002040608104TH3RD2NDBAREARYAGTP013AG07