纳米纤维状多层核壳材料的制备及其气相甲醛净化性能与机理

Aiming at the shortcomings of the current materials for indoor formaldehyde purification, a novel kind of material is proposed in this project to purify gaseous formaldehyde through efficient adsorption and visible light degradation. Silica nanofiber, prepared from natural mineral chrysotile, will be used as substrate to support a layer of adsorbent of mesoporous silica and a layer of photocatalyst of bismuth-based metal organic framework. As a result, a nanofibrous multilayered core-shell composite, namely silica nanofiber / mesoporous silica / bismuth-metal organic framework, will be obtained. In the project, firstly the preparation method and technology of the core-shell composite will be investigated to realize the controllable preparation of morphology, structure and pore characteristics. Secondly the formaldehyde adsorption performance of the composite will be studied to prove the adsorption mechanism and the route to strengthen adsorption. Thirdly, the property and process of the photocatalytic degradation of gaseous formaldehyde will be researched to illuminate the degradation mechanism. Last but not least, the formaldehyde purification effects of the composite will be explored in both of simulated and actual environment. The project will lay a theoretical and experimental foundation for the development of new kinds of purification materialsfor indoor air, as well has important theoretical significance and practical value for the design of novel functional composites, the development of photocatalytic materials and the application extension of mineral materials in air purification.

针对当前室内甲醛净化材料的不足，本项目提出了一种新型气相甲醛净化材料的研究，可实现甲醛的高效吸附与可见光降解。以天然矿物纤蛇纹石制备的氧化硅纳米纤维为基材，相继在其上组装一层介孔氧化硅吸附材料和一层铋基-金属有机框架光催化材料，形成纳米纤维状多层核壳材料——氧化硅纳米纤维/介孔氧化硅/铋基-金属有机框架复合材料。项目首先研究该复合材料的制备方法与工艺，以实现形貌、结构、孔特征等可控制备；其次研究复合材料的甲醛吸附性能，探明吸附机理与吸附强化方法；继而研究该材料可见光催化降解气相甲醛的性能与过程，阐明降解机制；最后探究该材料在模拟与实际环境中的甲醛净化效果。本项目将为开发新型室内空气净化材料奠定理论和实验基础，对设计新型复合功能材料、发展光催化材料制备方法、拓展矿物材料的空气净化用途具有重要的理论意义和实用价值。

包括甲醛、染料等在内的诸多有机污染物普遍存在于空气与水体之中，严重影响了环境安全。高级氧化技术（包括光催化反应、类芬顿反应等）是去除有机物污染的一种有效途径，能通过产生强氧化性自由基实现有机物的降解。本项目创新性地开发了一类新结构的高级氧化催化材料，通过光催化和类芬顿催化实现了有机污染物的降解。本项目以天然矿物纤蛇纹石制备的氧化硅纳米纤维为基材，制备了多种纳米纤维状多层核壳材料，并研究了其催化降解有机污染物的性能和机理。项目主要研究内容包括三个部分：（1）研究氧化硅纳米纤维基多层负载型复合材料的制备方法；（2）研究复合材料对于甲醛、染料等有机物污染的吸附和降解性能；（3）研究复合材料催化降解有机物的过程和机理，确定复合材料性质与性能间的联系规律。项目整体按计划进行，完成程度好，取得了多项研究成果，包括：（1）基于氧化硅纳米纤维特性提出了多层核壳材料的逐层构筑策略，继而实现了铋、钛、锰、铁、硅等纳米功能层的有效负载，获得了一系列双层和三层的纤维状核壳材料，并阐明了其成分、结构、形貌调控机制；（2）明确了甲醛、染料等有机污染物在复合材料表面的吸附与催化降解规律，并明晰了复合材料性质与性能之间的联系机制；（3）系统阐述了多层核壳材料对于有机污染物的催化降解过程和机理，揭示了氧化硅纳米纤维的性能增强机制。本项目属于环境矿物材料和非金属矿深加工的领域，其研究结果对于矿物基高级氧化催化材料和矿物基氧化硅材料的开发和利用有着重要的参考和借鉴意义。项目提出的纳米纤维基多层核壳材料的制备方法，不但为其他一维核壳材料的设计开发提供了新思路，而且还获得了一系列具有应用前景的新材料，体现出了较好的理论意义和实用价值。