《​Small》具有持久超疏水性、光催化功能的多功能自清洁材料

来源：高分子科学前沿

成果简介

近日，瑞士苏黎世大学的Stefan Seeger教授（通讯作者）课题组报道了一种具有超疏水性、光催化降解和自清洁能力的新型复合材料。该复合材料表面通过液滴辅助生长成型方法涂覆有硅纳米微丝(SNFs)，以提供纳米级表面粗糙度，并为具有更大表面积的光催化剂提供支撑。二氧化钛纳米粒子是通过水热反应在SNFs上原位合成的。通过对各种液体的润湿性测量、紫外光下有机污染物的降解和抗菌实验，证明了该复合材料具有自清洁和抗菌效果。通过磨损实验证实了该复合材料的分层结构可以增强机械耐磨性。相关工作以题目为“Hierarchical Structured Multifunctional Self-Cleaning Material with Durable Superhydrophobicity and Photocatalytic Functionalities”发表在《Small》上。

背景介绍

在过去几十年中，受自然现象启发而衍生的自清洁材料获得了极大的发展，因为它们既节能又环保。目前，已经开发了几种技术来获得自清洁材料。由于结合超疏水性和光催化性能的自清洁材料能够有效去除固体颗粒和有机污染物，并且减少对材料的超疏水性破坏。然而，具有超疏水的自清洁材料表面的纳米级粗糙度的脆弱性限制了其实际应用。

文章简述

在本文中，作者制备的这种具有超疏水性和光催化降解能力的自清洁复合材料对表面有机污染物具有良好的光催化降解能力以及抗菌性能。同时，该材料在一定压力下具有机械耐久性。作者主要从以下几方面的实验得出上面的结论：

首先，作者制备了功能化的LDPE基质。然后，利用CH3CH2SiCl3作为前体，优化生长条件以产生具有高表面积的致密SNF涂层作为催化剂载体，制备得到SNFs-GB-LDPE复合材料。TiO2 NPs在SNFs原位合成。作者利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和能量色散X射线（EDX）对制备的复合材料进行了表征。其中，EDX光谱显示TiO2纳米颗粒成功固定在SNFs上。上述测试表明作者成功制备了复合材料：TiO2/SNFs-GBs-LDPE。

接着，作者考查了制备的复合材料的疏水性能和自清洁能力。猜测该复合材料的自清洁性能主要通过以下两种机制发生：（1）表面的超疏水性用于通过水流去除杂质；（2）TiO2纳米光催化剂催化有机污染物的降解。作者利用高速摄像机记录了疏水性，清晰地显示了10升水滴的反弹行为。在连续UV照射下发现基质的超疏水性在24小时内没有变化，证明了该材料具有超疏水性。同时，光照时光催化剂催化降解有机污染物，证明了其具有自清洁能力。

然后，作者通过磨损实验证明了该复合材料的分层结构可以增强材料的机械耐磨性。最重要的是，借助于TiO2优异的光催化性能，作者利用大肠杆菌考查了该复合材料的抗菌效果。通过设置不同的对照组，发现该复合材料具有很好的抗菌效果。

图文速递

图一、功能性基质的理化表征

（a）LDPE基质与GBs的SEM图；（b, c）用GBs基质涂覆SNF的LDPE的SEM图；（d）用TiO2纳米颗粒功能化的SNF的SEM图；（e, f）观察角为65°的功能性基板的侧视图；（g）具有TiO2 NPs的（f）SNFs和（h）对应于（g）的EDX光谱的TEM图像；（i）功能性基质的说明性图；（j）SNFs与TiO2纳米颗粒的元素STEM-EDX图。

图二、自清洁性能

（a）防污过程的图像；（b, c）高速摄像机和普通摄像机拍摄的防水效果：（d）各种液体在基材上的不可润湿性；（e）基质的可再循环性；（f）在350 nm的UV照射下和具有6 cm2的侧面积的功能性基底的存在下亚甲基蓝（MB）溶液的光降解；（g）用TiO2/SNFs-GBs-LDPE降解MB的五次循环实验。

图三、磨损实验

（a-c）不同GBs密度滴入的LDPE模板；（d-f）三种密度GBs的功能性底物；（g）根据磨损周期时间的功能基板的接触角变化趋势；（h）100次磨损循环后不同基质对2 h MB降解的光催化性能；（i）在100次磨损循环之前和之后，在不同基底上的TiO2纳米颗粒的负载量；（j）具有增量磨损循环的GB的SEM图像。

图四、抗菌实验

（a）抗菌实验的示意图；（b）在室温下在黑暗或UV照射下90 min后具有不同底物的溶液的细胞浓度；（c）在黑暗或UV照射90 min后的细菌生长曲线；（d）在UV照射下暴露的样品的说明图；（e）菌落形成单位（CFUs）是由于大肠杆菌在琼脂平板中于37℃孵育12 h产生的。

小结

综上所述，作者成功制备了一种具有超疏水性、光催化能力、抗菌性能和增强的机械耐磨性的新型多功能复合材料。通过简便的DAGS方法获得超疏水性。该复合材料对各种液体都有不可润湿性且在UV照射下具有稳定性，以及对表面上的固体颗粒的自清洁效果。同时，该复合材料可以作为光催化剂用于降解有机化合物。通过磨损实验表明，该复合材料可以保持良好的超疏水性和光催化能力。相信随着机械阻力和多功能性的提高，这种新型复合材料将在未来的工业和日常生活中具有广泛的应用。

参考文献：

Hierarchical Structured Multifunctional Self‐Cleaning Material with Durable Superhydrophobicity and Photocatalytic Functionalities . Small, 2019, DOI: 10.1002/smll.201901822.