客观日本

涂覆+“强光照射”成形纳米多孔陶瓷膜,有望用于微生物杀菌和除菌

2020年06月11日 化学材料

大阪大学产业科学研究所的菅原彻副教授等人组成的研究团队与日本触媒公司合作,共同开发出了只需涂覆混合的原料,无需进行烘烤,就可以在塑料基板上直接形成多孔陶瓷(氧化钛)层的技术。

众所周知,氧化钛的光催化活性比较高,具有微生物除菌和杀菌效果。因有望杀死新型冠状病毒(SARS-CoV-2),氧化钛涂层再次受到关注。

不过,氧化钛陶瓷的烧结温度一般比较高,因此以前在塑料基板等耐热性较低的基板上涂覆时,必须利用超高真空技术或者粘合剂等粘合辅助功能。

此次,菅原副教授等人的研究团队通过将混合了有机金属盐和稳定剂(有助于形成纳米结构的抗衡正离子)的原料涂覆到基板上,并单纯进行加热,成功地在基板上直接形成了纳米结构(多孔体)的薄膜(图1)。另外,还利用该技术,成功地在塑料基板上涂覆了氧化钛纳米结构多孔膜。这表明,可以在所有基材表面形成氧化钛纳米结构多孔膜,有望在很多场所使用微生物杀菌或除菌涂层。另外,众所周知,氧化钛是对人体无害的白色颜料,还有望应用于利用纳米多孔材料的光散射性增白涂料。

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图1:在塑料基板上成膜的纳米结构多孔氧化钛薄膜(TiOx)

研究背景

通过使用氧化钛光催化剂(本多-藤岛效应)的强氧化还原作用(超亲水性),可以分解有机物的污垢和臭味,杀死病毒和细菌等微生物并将其分解。基于这些功能,氧化钛是唯一被应用于工业中的光催化剂,在我们的生活中,很多场景都使用氧化钛光催化剂。不过,氧化钛是陶瓷材料,烧结温度一般比较高(例如300~400度以上),因此很难与塑料等耐热性较差的基板或基材牢固粘合,难以形成优质薄膜。另外,要想充分利用氧化钛的光催化特性,需要具备多孔结构,但利用真空工艺等形成纳米结构多孔膜存在制造工艺复杂而且成本高等课题。

菅原副教授等人的研究团队利用混合有机金属盐等原料并涂覆后单纯进行烧结的方法(有机金属分解法),成功地在基板上直接形成了不同纳米结构(多孔)的氧化钛薄膜(图2)。另外,还开发出了通过将该原料(前驱体溶液)涂覆到塑料基板上并照射高强度的白色光,可以在不对基板造成热损伤的情况下,烧结氧化钛薄膜的技术(图3)。

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图2:成膜的纳米结构多孔氧化钛薄膜(TiOx)的外观照片和表面电子显微镜图像。
(a)纳米结构多孔体1,(b)纳米结构多孔体2

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图3:高强度光烧结装置的概念图。(左)照射光之前(右)照射光的过程中

照射高强度光可以在塑料等耐热性较差的基板或基材上直接形成氧化钛纳米结构多孔膜(图1)(图4)。另外,开发的前驱体溶液是一种粘性非常低的原料,利用喷墨打印机绘制的基材和形状复杂的基材可以直接浸入前驱体溶液中,能在任何形状和材质的基材(基板)上涂覆纳米结构多孔氧化钛薄膜。此外,形成的纳米结构多孔膜的厚度在1μm以下,可以在不堵塞mm级直径细孔的情况下进行表面涂覆。

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图4:形成的纳米结构多孔氧化钛薄膜(TiOx)的表面和截面电子显微镜图像。
(左)加热烧制后,(右)光烧制后,(上)表面图像,(下)截面图像

利用这项研究成果,可以在塑料材质的复杂形状(网眼状)滤网上等形成氧化钛纳米多孔膜,有望在捕获病原体病毒的同时,通过照射UV(和可见光)的光催化效应,进行病毒杀菌和去除等。

烧结前的前驱体溶液(原料)由于是粘性非常低的溶液,可以在细线状物体、毛细管内侧或波纹状表面等任何复杂形状的基材(基板)上,灵活地以低温形成纳米结构多孔膜。另外,纳米结构多孔膜的厚度约为1μm以下,可以在不堵塞mm级直径细孔的情况下进行表面处理,因此有望应用于毛细管内侧的防油处理涂层和流通式催化剂等。

除此之外,氧化钛还作为白色颜料使用,纳米多孔膜即使厚度低于1μm,也能有效地漫射光,因此有望应用于白色薄膜涂层(增白)等。

论文信息
题目:Formation of Metal-Organic Decomposition Derived Nanocrystalline Structure Titanium Dioxide by Heat Sintering and Photosintering Methods for Advanced Coating Process, and Its Volatile Organic Compounds’ Gas-Sensing Properties
期刊:《ACS Applied Electronic Materials》
DOI:10.1021/acsaelm.0c00237

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

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