为高效光催化过滤空气和水量身定制固体泡沫结构

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Tailoring solid foam structures for high-efficiency photocatalytic filtration of air and water

光催化泡沫制备与性能调控研究。通过调节交联剂摩尔比（0.07-0.40）和空气体积分数，利用凝胶铸造法制备聚乙烯醇基固体泡沫，分析其微观结构（窗口尺寸27μm±17μm，密度8%-11%）、渗透性（10?1至10? mD）及力学性能（剪切模量350±60MPa）。发现低交联剂（0.10）与低密度（0.11）组合可平衡高渗透性（6.5×10? mD）与机械强度（剪切强度12.3MPa）。研究为空间生命支持系统中的催化过滤材料设计提供结构-性能关系新范式，支持闭环水处理和空气净化模块开发。

　　本研究聚焦于聚氨酯泡沫材料在环境净化和催化应用中的潜力，特别是在光催化空气净化和水处理系统中的应用。随着环境和公共健康风险的加剧，包括人口增长、气候变化和资源短缺等因素，空气和水污染问题变得尤为严峻。为了应对这些挑战，开发高效、可靠的过滤系统成为当务之急。本文通过调整关键的合成参数，如空气体积分数和交联剂浓度，探索了泡沫结构的可调控性，旨在为实际应用中的催化材料设计提供科学依据。

研究采用了直接泡沫制造方法，通过两步制备工艺：首先制备负载无机纳米颗粒的聚合物前驱体（绿色体），然后进行热烧结。由于最终的无机结构会复制前驱体的形态，因此优化前驱体的结构是提升泡沫性能的关键。通过调节空气体积分数和交联剂浓度，可以实现对泡沫孔隙率和渗透性的精确控制，同时保持良好的机械性能。这种调控方法不仅有助于理解多孔固体的结构-性能关系，还为开发基于泡沫的催化系统提供了新的思路。

在材料制备方面，研究团队使用了聚乙烯醇（PVA）作为基础聚合物，通过酸化和加入交联剂（DMDF）来制备液态泡沫。随后，通过控制液态泡沫的组成，包括液相比例、聚合物浓度和交联剂含量，生成具有不同结构特性的泡沫。通过热处理，液态泡沫被固化，从而形成聚合物泡沫结构。进一步的烧结处理则使泡沫结构转化为稳定的无机泡沫，保留了原始泡沫的形态特征。这一过程的关键在于，聚合物泡沫的结构特征直接决定了最终无机泡沫的性能。

为了评估泡沫的结构特性，研究采用了扫描电子显微镜（SEM）进行微观结构分析。SEM图像显示，随着交联剂含量和泡沫相对密度的降低，泡沫的孔隙结构变得更加开放，孔径增大，孔之间的连接性增强。通过图像分析，团队进一步量化了这些结构特征，如窗口数量密度和平均窗口面积。结果显示，窗口数量密度与交联剂含量呈反比关系，而窗口面积则随交联剂浓度的增加而减小。这些发现表明，交联剂的调控可以显著影响泡沫的渗透性和孔隙结构。

泡沫的渗透性是衡量其在催化应用中性能的重要指标。通过测量液体在泡沫中的流动速率，团队发现，随着交联剂含量的增加，泡沫的渗透性显著下降，甚至在某些情况下接近实验检测的极限。这种现象可能与泡沫结构从开放型向封闭型转变有关，从而降低了孔隙的连通性。同时，泡沫的相对密度对渗透性也有显著影响，较低的相对密度通常意味着更高的渗透性。这一结果与之前的研究一致，表明泡沫的渗透性与其微观结构密切相关。

在机械性能方面，研究团队通过旋转剪切流变仪对泡沫进行了测试，以评估其在不同应变条件下的行为。实验结果表明，泡沫在低应变条件下表现出良好的弹性，而在高应变时则进入塑性变形阶段，最终发生断裂。机械性能的测试数据与理论模型相符，进一步验证了泡沫结构的可控性和其在实际应用中的可行性。研究还发现，泡沫的机械强度与其相对密度和交联剂含量密切相关，这为优化泡沫的结构设计提供了重要参考。

通过结合结构、渗透性和机械性能的分析，研究揭示了泡沫制造过程中关键参数对最终性能的影响。研究团队提出了一种优化策略，即在较低的相对密度和适当的交联剂含量下，可以获得具有高渗透性和良好机械强度的泡沫结构。这种结构不仅适用于催化过滤系统，还可能在其他需要高渗透性和结构稳定性的应用中发挥作用，如热绝缘和声学材料等。

研究的结论强调了泡沫结构设计的重要性，尤其是在光催化系统中。通过精确控制泡沫的孔隙结构和窗口特性，可以实现对催化材料表面暴露度和反应效率的优化。此外，研究还指出，这种调控方法可以推广到其他功能泡沫材料的开发中，以满足不同应用场景的需求。未来的工作将聚焦于将这些优化的泡沫结构转化为实际的光催化材料，进一步推动其在环境技术中的应用。