摘要
氧化物陶瓷纳米纤维材料因其优良的化学稳定性、热稳定性和独特的功能特性被广泛应用在环境保护、能源利用、安全防护等关乎人类生命健康和可持续发展的领域。然而，氧化物纳米纤维自身的脆性极大地限制了其工业化的应用。本文基于静电纺丝技术，结合抗烧结策略，从多尺度自下而上实现了脆性氧化钛纳米纤维的本征增韧，并保留了TiO2晶体的光催化特性，实现了其多功能的应用。通过改进氧化物纳米纤维材料的制备工艺，提出了一种耗时短、效率高的连续化宏量制备高质量氧化物陶瓷纤维膜的工艺。主要研究工作如下： （1）利用简单的静电纺丝技术结合后续煅烧工艺，得到了具有卓越强度和柔韧性的改性TiO2纳米纤维。其中，非晶态的AlxTiyO结构有效地抑制了TiO2纳米颗粒的过度生长，并在900℃下自发修复了晶界处由热应力引起的裂纹。在每根纳米纤维中，AlxTiyO填充在TiO2纳米颗粒之间的空隙，并润滑相邻的TiO2纳米颗粒，从而允许形变和消散局部应力。具体来说，将Aln+掺杂到TiO2晶体中并生成AlxTiyO固溶体，产生了丰富的柔性Ti–O–Al键，取代了坚固的O–Ti–O键。改性后的TiO2纳米纤维的杨氏模量为653.8MPa，比原始TiO2纳米纤维的杨氏模量高约25倍。 （2）通过改变纤维中Al和Ti的原子比并降低烧结温度，得到了可折叠的多孔m-TiO2纳米纤维膜。得益于相互连通的孔隙和优异的光催化能力，m-TiO2纳米纤维膜对高温烟尘颗粒的过滤效率高达99.84%；同时，在阳光的驱动下，可以原位高效降解捕获的PMs。将痕量的等离子体金纳米颗粒锚定在m-TiO2纳米纤维膜上后，在阳光下，热电子从等离子金纳米颗粒中逸出，随后快速转移到其附近的TiO2晶体中，通过高温弛豫转化为热，从而快速实现活性部位的动态再生和自我清洁，在过滤试验中表现出了良好的可重复使用性和长期稳定性。 （3）提出了一种耗时短、效率高的连续化制备高质量氧化物纳米纤维膜的制备工艺：包括纺丝、连续接收、快速烧结和连续收集四个过程，并对纺丝工艺及烧结工艺进行了初步改进与探究。通过改进TiO2纳米纤维材料的制备工艺，成功得到了大面积的柔性TiO2基纳米纤维膜（30cm×8cm×20μm）。并结合折纸工艺，成功制备出了超轻、超弹、耐高温隔热的TiO2基纳米纤维体块。在连续过滤600min后，密度为22mg/cm3的m-TiO2纳米纤维块对PM2.5和PM10的过滤效率分别高达99.97%和99.99%。利用多针头纺丝制备m-TiO2纳米纤维膜在实验室级别产量预计达0.11m2/h，并结合高温等离子体烧结工艺初步探究了快烧工艺对纤维膜力学性能的影响。 （4）在静电纺丝过程中添加过渡金属和贵金属盐溶液，得到了自支撑的M@m-TiO2纳米纤维膜（M=Fe,Co,Ni,Cu,Pd）。其中，Cu@m-TiO2纳米纤维膜展现出了更加卓越的力学强度（单位承重为220mg/cm2）和一定的光电响应能力，但其仍有很大提升空间。未来，通过对m-TiO2纳米纤维膜进行功能化设计，极有可能实现其作为扩散电极的高效应用。
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