TiO2@碳微球光驱动微型马达的制备及其性能研究

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微型马达是一种能够将外部能量(光、声、磁、电、化学能等)转化为动能,实现自主运动且尺寸为微纳米量级的粒子或结构。随着科学技术的发展,科学家们在微纳米材料的合成技术上不停地探索,微型马达在结构构筑、驱动方式、行为调控和速度等方面得到了快速的发展。这使得微型马达在生物医药、环境治理等方面有着巨大的应用潜力。本文主要以碳微球(CMS)为模板,制备了二氧化钛(TiO2)光驱动微型马达,在对其形貌、组成和结构进行系统表征的基础上,研究其光驱动性能和机理,并探索对有机染料分子的降解性能和机理。获得如下结论:(1)通过了水热法,控制反应合成条件制备出了分散性好、尺寸均一的CMS;在通过三种不同的方法在其表面负载TiO2,获得TiO2@CMS实心球核壳微型马达。在紫外光照射及H2O2溶液中,TiO2@CMS核壳微型马达可以通过分解H2O2产生O2气泡,实现了TiO2@CMS微型马达的自驱动,最高运动速度可达到44.6μm/s。在对有机染料Rh B的吸附降解实验中,60 min后降解率可达到99%,吸附动力学模型表明TiO2@CMS核壳微型马达对Rh B的吸附降解遵循准二阶动力学方程。(2)在对TiO2@CMS核壳微型马达进行热处理除去内部碳模板,进一步制备空心TiO2光驱动微型马达。空心TiO2微型马达在低浓度H2O2溶液中,紫外光照射下可实现快速运动,即在1%H2O2溶液浓度下,其运动速度可达到14.95μm/s。由于空壳TiO2层的光催化作用,光催化诱导的气泡运动产生的微搅拌作用以及H2O2分解时产生的自由基作用的综合影响,空心TiO2光驱动微型马达在10min后对Rh B的降解率高达98%。降解速度相对于实心核壳结构明显提升。在空心TiO2微型马达的表面负载一定量的磁性Fe3O4得到TiO2/Fe3O4空心球,微型马达可实现回收和重复利用。在对有机染料重复降解实验中,TiO2/Fe3O4空心微型马达经过3次后循环降解实验,对Rh B的降解率可达到85%。本文以CMS为模板采用溶胶-凝胶法制备球状TiO2光驱动微型马达,无需使用电化学工作站、溅射仪等复杂的设备,该方法成本低、操作简单、通用性强且可批量制备。所制备的微型马达具有速度快、对紫外光具有快速的响应、高效的降解效率,对拓展TiO2光驱动微型马达在实际中的应用和开发高效、智能化的微型马达进行环境治理有着重要的意义。
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