疏水金屬氧化物催化劑：催化疏水兩不誤
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如何構建超疏水表面？相信這個問題不算難，只需通過物理或化學手段在表面修飾一層低表面能的分子就能實現，譬如烷基長鏈或全氟長鏈。然而，如果在光催化劑的表面進行超疏水改性，並且能夠在光催化過程中保持超疏水的性質，就不那麼容易了。因為光催化過程中產生的自由基極易打斷修飾分子的化學鍵，造成疏水分子的降解，從而使光催化劑表面失去超疏水性。最近，德國馬普高分子研究所（Max Planck Institute for Polymer Research, MPIP）的Hans-Ju?rgen Butt教授課題組圍繞這一目標展開研究，開發了一種可在多種金屬氧化物光催化劑表面進行疏水化修飾的方法，相關成果發表在Advanced Materials上。
催化劑表面接枝PDMS示意圖。圖片來源：Adv. Mater.
為了兼顧催化活性與疏水性，他們首先選擇了一種在催化環境下溫度的疏水聚合物，滿足這一條件的有聚二甲基硅氧烷（PDMS）與聚四氟乙烯（PTFE），然而這兩種聚合物都不易在催化劑表面形成穩定的化學鏈接。研究者選擇了PDMS，發展了一種方便有效的光催化接枝PDMS的方法。為了實現這一目的，他們將金屬氧化物催化劑置於端基為三甲基硅氧烷的PDMS分子中進行紫外光照射。反應過程如下：在紫外光照射下，金屬氧化物催化劑會產生電子-空穴對，激發了表面的羥基及水分子，這些活性基團部分切割了周圍的PDMS鏈，從而與金屬氧化物形成Me-O-Si化學鍵。
疏水催化劑在紫外光照射下的表面浸潤性變化。圖片來源：Adv. Mater.
隨後，研究者們比較了PDMS接枝與氟化的TiO2催化劑在紫外光下的浸潤性。結果表明，氟化的催化劑經過紫外光照射後，表面的疏水分子發生了降解，最終表面變為親水性。當催化劑表面包含有機污染物的時候，研究者們發現，污染物降解後催化劑表面的接觸角恢復到了原來的狀態。
這樣的催化劑在許多方面都具有應用潛能。例如，可以製備成自清潔的催化表面，一方面超疏水表面的自清潔性能夠讓水滴帶走表面的污垢，另一方面催化劑又能進一步降解殘餘的有機污染物。此外，這種催化劑還可以選擇性的分散在有機溶劑中，實現對有機溶劑中有機小分子的選擇性降解。
自清潔催化表面。圖片來源：Adv. Mater.
疏水催化劑性能。圖片來源：Adv. Mater.
這項工作為我們展示了一個有趣的結果，不過，PDMS在接枝過程中會被自由基切斷，而在催化過程中卻能保持穩定，相關機理尚未說清。相信在未來的研究中研究者能給我們帶來更為準確的設計原則。
Stable Hydrophobic Metal-Oxide Photocatalysts via Grafting Polydimethylsiloxane Brush
Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201604637
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