光催化剂负载全氟磺酸纳米纤维的研制以及在光催化膜反应器中的应用

Perfluorinated sulfonic acid resin (PFSA) nanofibers is a newly developed functional fiber, can be widely used in the field of fuel cells, catalysis, and analysis. In this project two methods were proposed to prepare electrospun PFSA nanofibers loaded with photocatalyst,one is to directly electrospin from the solution of PFSA and photocatalyst powder, the other is to prepare by the hydrolysis synthesis of photocatalyst in electrospun PFSA nanofiber. The morphology and microstructure of nanofiber will be characterized by SEM, SAXS etc. Study the variation of the self-assemble structure in PFSA solution during the electrospinning process. Using Electrospinning-elution method, firstly prepare PFSA-hydrophilic polymer-photocatalyst composite nanofibers, and then remove hydrophilic polymers by washing to obtain nanofibers with high surface area; Using electrospinning method combined with non-solvent induced phase separation to adjust the morphology of nanofiber, and reveal the reasons for structure changes by the thermodynamic phase diagram and kinetic study. Determine the pore structure, pore size and surface properties of the electrospun nanofiber membrane. Study the adsorption of water molecule in nanofiber by time-resolved Fourier-Transform infrared（TR-FTIR）,and measure its photocatalytic property in aqueous solution, and reveal its performance dependence on its fiber structure, the catalyst content etc. Prepare photocatalytic composite membrane by electrospinning a layer of photocatalyst loaded PFSA nanofibers on hollow fiber membrane or flat sheet membrane supporter respectively, evaluate its performance in photocatalytic membrane reactor for dye wastewater treatment,and analyze the influencing factors.

全氟磺酸树脂（PFSA）纳米纤维是近年来新开发的一种功能纤维，在燃料电池、催化、分析等领域有广泛用途。本项目提出分别采用直接电纺法，以及电纺结合水解合成光催化剂工艺制备光催化剂负载的PFSA纳米纤维，采用SEM、SAXS等表征电纺纤维的形貌及微观结构。研究电纺过程中溶液内部分子聚集结构的变化规律。采用电纺-洗脱法，首先制备PFSA-亲水聚合物-光催化剂复合纤维，然后洗脱除去亲水聚合物制备高比表面积的纳米纤维；采用电纺结合不良溶剂诱导相分离调控纳米纤维表面的形貌，并通过热力学相图和动力学研究揭示其结构变化原因。评价电纺纤维膜的孔道结构、表面性能等。采用TR-FTIR研究水分子在电纺纤维中的吸附行为。评价纤维膜在水溶液中的光催化性能，揭示其与纤维结构、催化剂性能、含量等之间的关系。分别以中空纤维膜和平板膜为支撑电纺制备光催化复合分离膜，用于光催化膜反应器处理染料污水，评价其性能和影响因素。

功能膜的开发研究对于提高膜的分离性能，赋予膜的性能方面具有重要的理论和应用价值，是目前膜技术研究的热点之一。本项目首先研究了TiO2及Ag/AgCl光催化剂等在内的纳米颗粒的合成过程，获得了制备纳米功能材料的新方法。将其与PVA复合，产物显示出较好的光降解染料性能。然而在原位合成PFSA-光催化剂并电纺过程中，由于PFSA的磺酸侧基与纳米颗粒之间的相互作用使得合成的纳米颗粒具有特殊的形态，但也导致电纺过程中纳米颗粒包埋在纤维内部从而弱化了纳米颗粒的功效。同时在对PFSA与PVDF共混电纺并洗脱去除PVDF相来控制PFSA纤维微观结构的研究中发现，由于两亲性PFSA与PVDF之间的相互缠绕导致其微观结构非常复杂，采用洗脱法除去PVDF会导致纤维结构崩塌。为此我们改变技术路线，采用PVDF和亲水PVP共混，通过洗脱除去PVP，获得了不同断面及表面形态的纳米纤维。并在多孔纳米纤维表面负载纳米颗粒，其光催化优于简单共混的纳米纤维。在此基础上，进一步研究了光催化剂负载在分离膜表面的制备方法及其性能，由于惰性的PVDF膜表面很难稳定的负载纳米颗粒。我们首先研究了膜表面改性技术。分别采用原位合成结合相分离过程，以及表面涂层改性法制备表面亲水改性的PVDF膜，然后在亲水膜表面原位合成制备纳米颗粒涂层，并测定其光催化性能以及膜的分离，耐污染性能等。结果表明负载纳米颗粒后，膜表面的耐污染性能进一步提高，同时具备光催化降解污染物的自清洁功能，用于染料废水具有较好的使用效果。本项目的相关研究为深入研究纳米纤维及膜的表面功能化的提供了理论基础，对开发高效实用的功能性分离膜提供了实践基础。同时相关研究结果共发表SCI论文10篇，中文2篇，获得国家专利授权1项，另有数篇英文论文在整理过程中，并培养研究生6名。