[发明专利]一种仿生蜘蛛丝光催化剂及其制备方法和在生物气溶胶净化中的应用

说明书

本发明属于光催化材料与环保应用技术领域，公开了一种仿生蜘蛛丝光催化剂及其制备方法和在生物气溶胶净化中的应用。该制备方法是将洁净纤维载体浸泡在光催化剂与高分子的混合分散液中，通过提拉法在纤维表面获得周期性分布的小液滴；最后通过亲水性表面改性获得仿生蜘蛛丝光催化剂。本发明以纤维为基底，模仿自然界中蜘蛛丝的高亲水性及周期性纺锤结构，利用其生物亲和性、表面能梯度及拉普拉斯压差提供捕获与定向凝聚浓缩生物气溶胶的驱动力，结合负载的光催化剂于纺锤体表面，不仅能在无外加设备及试剂的情况下捕获生物气溶胶中的微生物，并且可以提高微生物与催化剂的接触，在光照条件下将捕获的微生物原位杀灭，避免其二次污染。

技术领域

本发明属于光催化材料与环保应用技术领域，特别涉及一种仿生蜘蛛丝光催化剂及其制备方法和在生物气溶胶净化中的应用。

背景技术

室内生物气溶胶(含有生物性粒子的气溶胶)具有浓度变化大(10^-3-10⁵CFU m^-3)、种类复杂、持留时间较长、持续释放、具有可致病菌及均值粒径较小等特点。在通风不良、人员密集的室内环境中，生物气溶胶的污染引发的呼吸道疾病可能给人们的健康造成严重的威胁。人们在室内生活工作的时间超过80％，因此，可持续、低能耗、环境友好的室内生物气溶胶控制技术的发展成为当务之急。现有的室内生物气溶胶控制技术主要是依赖于空气净化器的过滤系统，虽然可以过滤去除空气中的病原微生物，但是能耗大、压降大、易堵塞且容易产生二次污染。因此，研制一种能耗低、不阻塞并能原位杀灭生物气溶胶、避免二次污染的环境净化材料成为亟待解决的问题。目前，由于光催化氧化技术环境友好、高效、无二次污染、无需额外化学试剂、相容性好并且有优异的氧化性等优点，在室温和光照条件下就能产生自由基杀灭生物气溶胶中的病原微生物，因而在生物气溶胶的捕获与原位杀灭方面具有很好的应用潜力。

自然界中的蜘蛛丝由亲水性极强的蛋白质构成，且具有周期性纺锤结构，可以利用其亲水性、粘附性、拉普拉斯压差及表面能差异捕获空气中的微尘和水分，并将他们定向凝聚、富集浓缩形成小液滴在蜘蛛丝纺锤结构表面。受其启发，通过制备光催化剂负载的仿生蜘蛛丝，将悬浮在空气中的微生物作为凝结核，在亲水蜘蛛丝的凝集作用下被捕获，再通过定向运输作用，将微生物浓缩富集于纺锤结构表面，形成新型“液滴微反应器”，同时可以实现在光照条件下，利用“液滴微反应器”中产生大量活性氧物种(ROS)与微生物作用，破坏其生物结构，解决常规光催化剂与微生物接触效率低的问题，从而提高杀灭效率。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的应用缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种仿生蜘蛛丝光催化剂的制备方法；该方法以商业的纤维为基底，将光催化剂与高分子聚合物共混负载于纤维表面，形成均匀的周期性纺锤结构，制备高效的生物气溶胶捕获与杀灭纤维材料。

本发明的另一目的在于提供上述制备方法得到的仿生蜘蛛丝光催化剂。

本发明的再一目的在于提供上述仿生蜘蛛丝光催化剂在生物气溶胶净化中的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种仿生蜘蛛丝光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)首先将直径为5～300μm的不同截面形状的商业纤维置于有机溶剂中浸泡超声，然后用去离子水清洗干净，经干燥获得表面洁净的纤维；

(2)将0.01～50g高分子颗粒加入到5～500mL有机溶剂中，在10～100℃下搅拌5～60min，得到澄清溶液；

(3)将0.01～50g光催化剂加入步骤(2)所得澄清溶液，在10～60℃下搅拌5～60min，再经过超声5～30min，得到分散液；

(4)将步骤(1)所得表面洁净的纤维浸泡于50～500mL步骤(3)所得的分散液中，以0.1～50m/s的速度提拉纤维，在30～100℃下干燥0～10min，得到仿生蜘蛛丝光催化剂；