二氧化鈦納米纖維膜用于去除抗生素和大腸桿菌滅活

DOI:10.1016/j.cej.2019.122269

功能半導體納米材料改性TiO₂纖維膜具有良好的異質結構、優良的力學性能和優異的可見光驅動光催化活性，在環境修復領域有著廣闊的應用前景。然而，構建如此奇妙的纖維膜仍然是巨大的挑戰。在這里，作者通過一種簡便的靜電紡絲方法和隨后的熱聚合工藝制備了一種柔軟且異質結構的g-C₃N₄ @ Co-TiO₂（CNCT）納米纖維膜。原位合成C₃N₄納米殼，均勻包裹在Co-TiO₂納米纖維上，形成核殼量子異質結，只需調節前體（三聚氰胺）的含量即可精確控制g-C₃N₄納米殼的厚度和負載量。得益于三維多孔網絡，增強的可見光響應以及均勻而緊湊的異質結所誘導的有效電荷轉移，合成后的CNCT膜在60分鐘內對四環素鹽酸鹽的光降解效率高達90.8％，并且在90分鐘可見光照射后，大腸桿菌的6 log滅活顯示出出色的抗菌性能。此外，穩定的核殼結構和強大的機械強度也使膜具有良好的可逆性和易回收性。這項研究可能為設計和建造用于水凈化的柔性高性能光催化膜開辟新的途徑。

 圖1.柔軟的CNCT納米纖維膜的制造示意圖。

圖2.（a）Co-TiO₂，（b）CNCT-1，（c）CNCT-3和（d）CNCT-5纖維膜的SEM圖像。 （e）相應膜的TGA曲線和（f）XRD圖譜。

圖3. Co-TiO₂，CNCT-1，CNCT-3和CNCT-5光纖的（a-d）TEM和（e-h）HRTEM圖像。（i）CNCT-5的 STEM 圖像，分別在單根纖維上顯示 Ti、O、 Co、 C 和 N 的元素映射圖像。

圖4. Co-TiO₂，CNCT-3和g-C₃N₄的XPS光譜：（a）測量光譜，（b）Ti 2p，（c）Co 2p，（d）O 1 s，（e）C 1 s和（f）N 1 s。

圖5.（a）Co-TiO₂，CNCT-1，CNCT-3和CNCT-5膜的拉伸應力-應變曲線，（b）楊氏模量和彎曲剛度。（c）增強CNCT膜機械柔韌性的合理機制的示意圖。（d）顯示CNCT-3膜柔韌性的照片：它可以拉伸，折疊和扭曲而不會損壞。

圖6.（a）不同樣品在可見光照射下TC-H的光催化降解曲線。（b）TC-H降解的擬一階動力學圖。（c）用CNCT-3膜光催化降解其他抗生素。（d）CNCT-3膜對TC-H降解的再循環實驗。 （e）5個循環后的CNCT-3膜的SEM圖像和光學照片。 （f）循環光催化反應之前和之后CNCT-3的XRD圖譜。所用CNCT-3的HRTEM 圖像（插圖）。

圖7.在空白，TiO₂，Co-TiO₂，g-C₃N₄和CNCT-3上對大腸桿菌的消毒效率（a）在黑暗中，（b）在可見光照射下。（c）CNCT-3劑量對大腸桿菌的光催化失活的影響。（d）分別在不使用和用可見光照射90分鐘的情況下，用不同的光催化劑處理的大腸桿菌的菌落的照片。 （e）使用CNCT-3膜進行光催化消毒之前（左）和之后（右）的大腸桿菌細胞的SEM圖像。

圖8.（a）所制備的TiO₂，Co-TiO₂，CNCT-3和g-C₃N₄的紫外可見漫反射光譜和帶隙（插圖）。 （b）PL光譜和（c）各種光催化劑的瞬時光電流響應。 （d）在可見光照射下，通過CNCT-3光催化劑降解TC-H的活性物種的誘捕實驗。（e）提出的柔軟CNCT纖維膜的光催化機理。