一种基于二氧化钛纳米纤维的紫外光催化微反应芯片系统

摘要

一种基于二氧化钛纳米纤维的紫外光催化微反应芯片系统，用于污染物的光催化降解，以外部精确流体注射泵为动力源，以PDMS软刻蚀技术为基础，通过芯片封装使微通道与具有高比表面积和三维多孔的二氧化钛电纺纳米纤维膜光催化剂相结合，使反应物流体与催化剂接触面积增大，进而提高光催化降解效率。

说明书

技术领域

本发明主要涉及光催化领域，特别提供了一种基于二氧化钛纳米纤维 的紫外光催化微反应芯片系统。

背景技术

光催化反应是利用光能进行物质转化的一种方式，在光和催化剂同时 作用下能将多种有机污染物、还原性无机污染物等彻底矿化去除，而且具 有反应条件温和、效率高等优点，是极具前途的绿色环境净化技术。二氧 化钛光催化剂性质稳定、无毒廉价，是该领域中应用最多的半导体光催化 材料。在目前的光催化反应中，二氧化钛主要以纳米粉体或薄膜涂层的形 式存在，纳米粉体比表面积大但回收困难，而薄膜涂层比表面积小反应效 率低。采用静电纺丝制备的二氧化钛纳米纤维膜具有极大的比表面积和极 高的孔隙率，作为催化剂能够有效提高与反应物的接触面积，从而提高反 应效率。

微流控芯片是将生物、化学中多种基本操作单元集成在一块几平方厘 米的芯片上，取代常规生物或化学实验室各种功能，集微型化、集成化、 自动化等优势于一体。基于微流控芯片技术的微化学反应器由于反应空间 尺度小，反应体系比表面积极大，传质路径极短，反应物接触更加充分， 因而反应体系转化率有明显提高。将二氧化钛电纺纳米纤维膜作为光催化 剂与微流控芯片相结合形成光催化微反应器可以结合二者的优势，增大反 应物与催化剂的有效接触面积，从而大大缩短反应时间，提高反应效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于二氧化钛纳米纤维的紫外光催化微反 应芯片系统，该系统用于污染物的紫外光催化降解。

本发明提供了一种基于二氧化钛纳米纤维的紫外光催化微反应芯片系 统，该系统由光催化微反应芯片和辅助设备构成；其中，光催化微反应芯 片包括含有微通道结构的PDMS基片、光催化剂二氧化钛纤维薄膜和玻璃 底片；辅助设备包括精密注射泵、医用注射器、LED紫外灯和连接软管； 通过封接技术将二氧化钛纳米纤维薄膜封接于芯片上下基片间，形成夹心 结构。

本发明提供的所述基于二氧化钛纳米纤维的紫外光催化微反应芯片系 统，所述微通道结构采用PDMS软刻蚀形成，通道宽度范围为100μm~1mm， 通道高度100μm。

本发明提供的所述基于二氧化钛纳米纤维的紫外光催化微反应芯片系 统，所述二氧化钛纳米纤维薄膜采用静电纺丝法制备；静电纺丝所用前驱 体溶液由聚乙烯吡咯烷酮、乙醇、冰醋酸、钛酸四丁酯按照一定比例混合 而成；静电纺丝采用电压范围为7kV~10kV，流速范围为0.5ml/h~1.0ml/h； 电纺制备的前驱体纤维经过高温处理2h，最终形成二氧化钛纳米纤维。

本发明提供的所述基于二氧化钛纳米纤维的紫外光催化微反应芯片系 统，所述注射泵用于实现对流体流速的控制，并通过连接软管将流体引入 光催化微反应芯片通道内；所述LED紫外灯提供紫外光引发二氧化钛纳米 纤维光催化作用。

本发明提供的所述基于二氧化钛纳米纤维的紫外光催化微反应芯片系 统，所述光催化剂二氧化钛纳米纤维膜封接于PDMS基片与玻璃底片之间， 封接技术是采用甲苯稀释的PDMS胶接，封接后的芯片真空加热固化。

本发明提供的紫外光催化降解微反应芯片系统结构简单、操作简便， 采用比表面积大、孔隙率高的二氧化钛电纺纳米纤维膜为光催化剂，结合 微通道网络，充分提高了反应物与催化剂的接触面积，从而有效提升光催 化效率。

附图说明

图1为紫外光催化微反应芯片结构图，其中1为微通道，2为二氧化钛 纳米纤维膜，3为流体入口，4为流体出口；

图2为二氧化钛电纺纳米纤维表面形貌；

图3为不同浓度亚甲基蓝水溶液光催化降解率；

图4为不同光照时间下亚甲基蓝水溶液光催化降解效率。

具体实施方式

以PDMS软刻蚀技术形成微通道，以静电纺丝技术制备二氧化钛纳米 纤维薄膜，通过胶接方法将二氧化钛纳米纤维薄膜封接于基片和底片间后 固化。配制不同浓度反应物溶液，采用紫外分光光度计检测反应物溶液吸 光度，并建立吸光度与反应物浓度的标准曲线。利用注射泵作动力源，调 节反应物溶液流速，使反应物溶液以设定流速进入芯片通道，与二氧化钛 纳米纤维膜相接触，并在LED紫外光照射下进行光催化降解，反应产物通 过导管进入收集瓶中，采用紫外分光光度计进行检测，并通过标准曲线计 算降解率。

实施例1

利用实验室自行设计并制作的光催化微反应芯片系统，构型如图1所 示，通道尺寸深度为100μm，宽度为500μm。配制亚甲基蓝水溶液，浓度 分别为3mg/ml、5mg/ml、7mg/ml、10mg/ml，注射泵流速100μl/min。结 果如图3所示，芯片对不同浓度亚甲基蓝具有较高降解率。

实施例2

利用实验室自行设计并制作的光催化微反应芯片系统，构型如图1所 示，通道尺寸深度为100μm，宽度为500μm。配制亚甲基蓝水溶液，浓度 10mg/ml，分别设定注射泵流速100μl/min、75μl/min、50μl/min及25μl/min， 其对应反应物实际光照时间分别为12.43s、19.47s、25.66s及53s。反应结 束后采用紫外分光光度计进行检测。其结果如图4所示，随着实际光照时 间增加，光催化降解效率提高。

实施例3

利用实验室自行设计并制作的光催化微反应芯片系统，构型如图1所 示，通道尺寸深度为100μm，宽度为500μm。配制罗丹明B水溶液，浓度 10mg/ml，设定注射泵流速100μl/min，连续运行10次。紫外检测发现芯片 对罗丹明同样具有较高的降解效率，显示出该系统适用于各种水溶性污染 物的降解。