活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭光敏復合纖維用于溢油清洗

　　溢油對開闊水域的污染日益嚴重，一直是研究油污清潔技術的驅動力之一。由收獲可見光光譜能量的有機物的光催化分解提供了控制油溢出污染的一種獨特方式。本次的內容涉及制備具有大表面積的功能性復合活性炭纖維用于溢油清洗。復合纖維由光敏氧化物顆粒和活性炭組成。它是通過共紡聚合物和金屬化合物制成的。在高溫熱處理后，得到含有氧化物顆粒的活性炭纖維。

　　復合碳纖維的形態

　　首先通過反應紡絲制備含TiO2顆粒的活性炭纖維，通過在含氮氣氛中的高溫處理來進行粒子的摻雜。然后，將復合活性炭用載玻片或鋁板固定，形成吸油試驗片。通過SEM檢查含有氧化鈦顆粒的復合活性炭。從圖1a可以看出，氧化物納米顆粒嵌入到微米和納米纖維的活性炭中。納米粒子不是簇狀的。相反，可以發現納米顆粒在纖維中的分布非常均勻。還研究了增加顆粒負載劑量。氧化物顆粒形成前體的濃度是影響所制備材料最終形態的重要參數。在圖1b中，碳纖維的尺寸發生了顯著變化。這表明加工參數會影響熱處理纖維的形態。

　　圖1：不同尺寸的氧化物顆粒/纖維(a)和復合纖維(b)的SEM圖像。

　　復合活性炭纖維的光敏性

　　對含二氧化鈦的碳纖維復合材料進行了光敏性測試。熒光燈管用于產生可見光。電化學工作站用于記錄光子電壓響應數據。將復合碳纖維置于透明載玻片上，并使用鋁箔條形成導電路徑。將光源控制為“開”5秒，然后“關”5秒。得到的測試結果如圖2所示。曲線如圖2，發現該纖維樣品所具有半導體行為。當可見燈泡切換到“開”位置時，光照導致陽極產生電子，電壓變得更負。然而，當燈“關閉”時，發現電壓出現正浪涌，如圖2a所示。這種n型行為與在活性炭化纖維中添加鈷摻雜的鈦基氧化物顆粒有關。如果沒有鈷此外，光敏性是沒有那么強，如圖2陽極處的光子感應電壓不是那么穩定，這也顯示在圖2b中，基線漂移較大。

　　圖2：含鈦酸鈷(II)顆粒的復合活性炭(a)和含二氧化鈦顆粒的復合碳纖維(b)的開路電壓。

　　活性炭對溢油的清潔性能

　　為了評估活性炭納米纖維樣品的溢油清潔性能，進行了植物油的去除。植物油的吸收結果如圖3所示。檢查了各種樣品中油的時間依賴性潤濕性。在六個樣品上設置油滴，包括兩個鈦箔條(純鈦和具有納米管表面涂層的鈦)，兩個活性炭樣品(熱處理前的和熱處理后的)，以及兩個載玻片作為對照樣品。六種測試材料的吸油行為隨時間而變化。在圖3中a，b，六個試樣按以下相同順序排列。從最上面看，它是純鈦樣品。純鈦之后是熱處理的二氧化鈦納米管樣品。然后逆時針，可以找到白色未經熱處理的二氧化鈦納米纖維樣品。熱處理的鈦酸鈷(II)納米纖維呈現淡綠色。其余的標本是干凈的載玻片。在圖3a中，可以看出油在經過熱處理的活性炭納米纖維樣品上的擴散最多。油滴立即被活性炭納米纖維吸收。在干凈的玻璃杯上，油滴完好無損。在圖3b，更明顯地表明，經過熱處理的活性炭納米纖維樣品油擴散得最多，其次是鈦納米管樣品、未熱處理的二氧化鈦納米纖維樣品、純鈦，最后是干凈的玻璃。

　　圖3：暴露在陽光下10分鐘(a)和暴露20分鐘(b)后載玻片上的油滴照片。

　　根據上述圖3a、b中的照片顯示的結果，可以得出結論，含二氧化鈦的活性炭樣品具有良好的吸油和清潔能力。該纖維還擅長去除油脂。在每次測量后的六個測試樣品中，油散布最多的是活性炭樣品。這種行為有利于清潔油。它也可用于生物消毒，因為二氧化鈦已被廣泛用作消毒劑。這種復合活性炭不僅用于最初提出的溢油清潔，而且還用作可穿戴技術以及微型和納米機器人的原材料。

　　在圖4中，顯示了使用數碼相機拍攝的兩張照片。從照片中可以看出，兩片載有鈦金屬氧化物顆粒的活性炭墊被放置在一張藍色紙上。墊子由相同的含有鈦酸鈷(II)顆粒的活性炭制成。照片的左側顯示了直徑為8毫米的水滴停留在復合碳纖維墊上，沒有任何潤濕纖維。圖片右側顯示，一滴溢出的油滴瞬間被纖維毛吸收，在陽光下逐漸被去除。這揭示了復合活性炭纖維的疏水和親油行為。

　　圖4：顯示活性炭復合纖維疏水和親油行為的照片。

　　活性炭光敏復合纖維用于溢油清洗，這種活性炭復合纖維由氧化物顆粒加活性炭組成。含有鈦酸鈷(II)顆粒的活性炭復合纖維表現出感光性能。發現共靜電紡聚合物和產生氧化物的物質可以促進產生的顆粒在活性炭中的均勻分散。該纖維還表現出吸油和清潔所需的高表面積。具體而言，二氧化鈦納米粒子通過靜電紡絲過程中有機金屬化合物的水解原位制備。鈦酸鈷(II)顆粒在保護氣氛中的高溫退火過程中原位生成。活性炭復合纖維墊在可見光譜中表現出光敏性。由于疏水和親油行為，活性炭復合纖維墊在溢出的油吸收和清潔方面是有效的。

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