氧化鋅修飾的電紡核-鞘PAN@PPY納米纖維用于光致水去污

DOI: 10.1039/c9ta06530j

在此，作者提出了一種光催化活性的水凈化系統，由ZnO納米晶體支撐在一個柔性的電紡半導體納米纖維墊上。納米纖維具有核-鞘結構，由聚丙烯腈（PAN）核和低帶隙p型半導體聚吡咯（PPY）鞘組成。在UVA輻照下，PPY與n型半導體ZnO之間形成的異質結促進了界面上光生載流子的分離。與相同的氧化鋅顆粒被支撐在絕緣的裸PAN納米纖維上相比，這降低了電荷復合率，提高了光催化效率。通過光催化試驗和光電化學表征，研究者發現光激發電子優先聚集在PPY鞘上并與溶解氧反應，而過量的空穴在ZnO表面上產生高氧化自由基并降解持久性污染物。由于PPY鞘的合成是在水中進行的，因此納米纖維的生產是可擴展和可持續的。雖然以前的研究將光活性金屬氧化物納米粒子固定在絕緣墊上，以幫助其在使用后收集，這是最新的報告表明，柔性半導體支撐材料可以在光催化過程中起到積極的作用，并顯著地提高其有效性。這種方法為光催化應用的新型負載雜化材料的設計鋪平了道路。

圖1用氧化鋅納米晶修飾的核-鞘PAN@PPY納米纖維的制備。

圖2 PAN（A）和PAN@PPY納米纖維（B）的掃描電鏡照片。比例尺對應5 mm。插圖：相應墊子的數碼照片。PAN和PAN@PPY墊的物理化學性質：電導率（C）、在UVA-Vis-NIR區的吸收（D）、O/C（E）和S/C（F）元素比值。

圖3（A）PAN@PPY種子和（B）PAN@PPY/ZnO樣品的掃描電鏡照片。比例尺對應于5 mm。（C）（1）PAN@PPY/ZnO墊和參考粉末（2）Zn種子和（3）ZnO_HT90的X射線衍射圖。（D）通過XPS全掃描評估纖維表面元素組成。＃表示與某個化學元素的任何其他平均值在統計學上顯著不同（p <0.05）的平均值。

圖4（A）在PAN@PPY/ZnO上測得的UVA光下甲基橙（MO）消除的百分比和（B）MO消除的穩定性。實驗條件在方法第2.7節中詳細介紹。（A）：從左到右，直接光解（DP），并在存在PAN@PPY墊、PAN/ZnO墊和PAN@PPY/ZnO墊的情況下進行減光。*：對于p <0.05，該平均值與圖A中所有平均值之間的差異顯著。對于p <0.05，圖B中的所有平均值均無顯著差異。（C）PAN@PPY/ZnO纖維用于5個后續光降解循環后的SEM顯微照片和X射線衍射圖。比例尺對應于5mm。衍射圖中的黑色三角形表示多晶氧化鋅。

圖5在存在選擇性自由基清除劑的情況下，在PAN@PPY/ZnO上測得的UVA光下MO消除的百分比（A）。從左至右，在缺氧條件下減少（N₂），分別減少對苯醌（BQ）、AgNO3、KI、CH3CN以及CH3CN 和KI在空氣中的添加量。水平線代表在存在PAN@PPY/ZnO（藍色）的情況下MO直接光解（DP，綠色）和MO降解的平均值（實線）以及標準偏差（陰影區域）。*：該平均值與除DP以外的所有其他平均值之間的差異顯著，p <0.05。＃：該平均值與所有其他平均值之間的差異顯著，p <0.05。ITO/ZnO_HT90（B和C）和ITO/PPY（D和E）的計時電位法（左列，B和D）和循環伏安法（右列，C和E）。在氮氣氣氛下，在0.1 M KNO₃水溶液（pH=9）中記錄了暗光循環。在相同的計時電位條件下，以0.2 V s^-1的電位掃描速度在黑暗中記錄循環伏安曲線。

圖6在ZnO納米晶體和PPY鞘之間形成的異質結的能帶圖以及在UVA照射下發生過程的示意圖。此處的帶能說明了與NHE的關系。