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具有高光催化性能的聚酰亚胺/二氧化钛自清洁纳米杂化膜
研究背景
纳米二氧化钛作为光催化剂表现出卓越的性能，具有高活性、优异的热稳定性、耐久性、成本效益和对人体无毒的优点。已有报道利用静电纺丝制备的PI/TiO2纤维或PI薄膜作为衬底，在表面沉积或喷涂二氧化钛，然后应用于光催化降解有机物。由PI和TiO2组成的纳米杂化膜将能够充分利用它们各自的优势，同时也扩大了材料的潜在应用。与先前报道的光催化纤维材料相比，衍生的自支撑膜具有实质性优势，包括具有增强的机械，热和光催化特性的平坦致密表面。具有光催化活性和自清洁能力的PI材料的制备和研究具有重要的理论和实践意义。
研究方法
通过溶液混合物掺杂二氧化钛溶液，采用热亚酰化法制备了不同TiO2含量的PI纳米杂化膜。利用FT-IR、EDS、SEM和TEM对PI/TiO2纳米杂化膜的组成、形貌和结构进行了表征。
实验结果解析
图1. 图a和b为PI/TiO2(5%)和PI薄膜的透射电子显微图。PI薄膜的均匀性在图a中是明显的。相比之下，图1b中TiO2纳米颗粒均匀分布在PI衬底上，直径为20-60 nm，呈球形(黑色)。PI和PI/TiO2(5%)薄膜的SEM图像如图c和d所示。观察到PI表面平坦光滑(图c)，而TiO2纳米粒子分散在PI中并呈现球形形态(图d)，直径约为20-60 nm。图e-h，PI和PI/TiO2薄膜的元素分布通过能谱(EDS)分析。纯PI膜仅能检测到C和O元素的信号，而纳米杂化膜则能检测到Ti元素的信号。随着TiO2/PI质量比的增加，Ti信号的强度明显增加，表明纳米杂化膜中含有更多的Ti。
图3. 在相对低应力区，所有薄膜都表现出线弹性行为。然而，一旦应力达到屈服点，薄膜转变为非线性弹性行为并坍塌。随着纳米TiO2含量的增加，PI/TiO2杂化膜的抗拉强度有所提高。当纳米tio2含量为1、3和5%时，薄膜的抗拉强度分别为114.10±12.19、115.62±10.89和117.97±11.19 MPa。
图4. 使用PI、三种不同类型的PI/TiO2和TiO2薄膜对亚甲基蓝的光催化降解。纯PI膜、三种纳米杂化膜和TiO2膜对亚甲基蓝溶液的降解率分别为13.67%、43.11%、53.62%、70%和87.5%，说明二氧化钛含量的增加导致PI/TiO2纳米杂化膜对亚甲基蓝的降解潜力增强。
图5. 几种样品的光催化降解RZ水溶液的曲线变化：(a)PI、(b)PI/TiO2(1%)、(c) PI/TiO2(3%)、(d)PI/TiO2(5%)、(e)TiO2
有三种杂化膜分别在390、330、270和210 min的时间内降解了resazurin溶液。随着TiO2含量的增加，杂化膜完全降解所需的时间减少。
图6. 水在PI和PI/TiO2薄膜上的接触角(CA)的变化曲线。在光催化作用下，PI/TiO2样品表面油酸残渣的分解和光诱导的亲水性逐渐降低。然而，在紫外线照射80 h后，PI膜样品表面的水CA相对保持不变。发现PI/TiO2纳米膜的水CA从75°降低到15°。
实验总结
实验结果表明，PI矩阵与TiO2有效结合，并在纳米尺度上呈现均匀分布。在光催化降解过程中，纯PI和三种PI/TiO2纳米杂化膜分别在180 min内降解了13.67%、43.11%、53.62%和70.00%的亚甲基蓝。经过8次循环，亚甲基蓝溶液的降解率超过71.8%。光催化降解resazurin的实验表明，三种PI/TiO2纳米杂化膜分别需要390、330和270 min才能完全降解resazurin，而纯PI不能降解resazurin。这种纳米混合膜还可以净化废水和分解油酸。
PI/TiO2纳米杂化材料具有明显的光催化效果。进一步的研究评估了PI/TiO2纳米杂化膜的热、机械和电学特性，包括TGA、拉伸和电分解。
TiO2含量的增加改善了PI膜的热稳定性和机械、电学特性。PI/TiO2纳米杂化膜所表现出的优异的光催化性能表明其在环境保护和抗污染领域具有相当大的应用潜力。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2023.12.003
期刊简介
Progress in Natural Science: Materials International(PNSMI)由中国材料研究学会主办，是一本综合类英文SCI学术期刊，刊登材料科学领域的基础研究和应用基础研究方面的高水平、有创造性和重要意义的最新研究成果。
2022年最新影响因子4.7，分区为中科院材料科学二区。入选2019年中国科技期刊卓越行动计划，2022、2023连续两年获评中国最具国际影响力学术期刊。
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