《先進材料》具有穩定疏水性能的金屬氧化物光催化劑用於防污、抗生物淤積等領域

金屬氧化物光催化劑（MOPCs）是指在光照下能夠通過產生電子-空穴對，進而激發出自由基的物質。這種光催化反應能導致大多數有機分子的氧化或者降解，並且發生一些二級反應。如TiO2, ZnO, SnO2, CeO2,Ag2O, Fe2O3, WO3, 和 V2O5等在學術研究和工業領域（如水體和空氣凈化、光解水、防污以及有機合成）都有廣泛應用。然而，許多MOPC都是親水性的，因此限制了它們在某些特殊領域（如自清潔和防污領域）的應用。但是，修飾在MOPCs表面的疏水鏈段在光催化反應過程中又很容易被催化降解，導致疏水性能的喪失與不持久。光催化活性和疏水性成了兩種互相矛盾的性質，因此選擇性質穩定的疏水成分十分必要。

近期，德國馬普所的Sanghyuk Wooh（第一作者）等人介紹了一種簡單的方法，通過光輻射將三甲氧基封端的PDMS修飾到MOPCs上。PDMS通過共價鍵直接修飾到MOPCs上面。該表面具有很好的疏水穩定性，並且修飾後的PDMS-MOPCs具有優異的自清潔和抗生物淤積能力，並且能夠作為納米粒子溶於有機溶劑中，應用於更廣范的光催化領域。該成果發表在《先進材料》上面。

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製備流程

圖1.

（a）PDMS 在紫外光輻照下與金屬氧化物之間形成Si-O-metal鍵，直接接枝到MOPC表面。

（b）PDMS接枝到TiO2後O1s峰 (灰線)的XPS譜圖，上面出現了Ti-O-Ti(藍線),Si-O-Si(綠線), and Ti-O-Si (紅線）鍵。

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疏水性能

圖2.

（a）光催化表面示意圖，具有疏液性。

（b）PDMS接枝到平整TiO2表面的水接觸截面圖。

（e）紫外光照時間對PDMS-grafted TiO2表面的接觸角的影響。

（f–h）PDMS接枝到 (f) 介孔TiO2, (g) ZnO納米棒和 (h) 介孔TiO2微米柱上面的掃描電鏡(SEM)圖。

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疏水性的穩定性

圖3.將PDMS-TiO2材料放在紫外光（UA-A) 下輻照。經過36h後，表面接觸角幾乎不變，疏水性能穩定。但是用三氯氟硅烷修飾的TiO2，在90min的紫外輻照後就變成了親水性。

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光催化活性

圖4.用激光共聚焦顯微鏡監測備尼羅紅污染後的PDMS-TiO2。發現在其催化尼羅紅染料降解的過程中疏水性保持不變。並且，光催化降解功能不僅限於染料，對油酸的作用亦然。

圖5.

（c）油酸污染PDMS-TiO2表面後，由於油酸的表面能較高，因此表面疏水性下降，接觸角減小。隨著紫外輻照下，光催化劑逐漸催化油酸降解，表面接觸角逐漸回升到初始狀態。

（d）在5次重複"污染-催化降解」後，接觸角仍能保持穩定。

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自清潔與防生物淤積能力

圖6.

（a）鋁片表面的清潔過程：在刻蝕後的鋁片表面修飾了PDMS-TiO2，使其具有超疏水性能。因此上面的無機粒子能被水滴沖洗乾淨，同時上面的有機溶劑能夠通過紫外光催化分解。

（b） 共聚焦顯微鏡觀察PDMS-TiO2抗生物淤積作用示意圖：綠色熒光代表為存活大腸桿菌，紅色為死亡的。

（c）在黑暗中培育了210min後的細菌的共聚焦顯微鏡照片。

（d）UV-A輻照後的細菌的共聚焦顯微鏡照片。

參考文獻：Wooh S, Encinas N, Vollmer D, et al. Stable Hydrophobic Metal-Oxide Photocatalysts via Grafting Polydimethylsiloxane Brush.[J]. Advanced Materials, 2017, 29:1604637.

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