NO是一种常见的空气污染物，直接排放到大气中会对环境和人类健康造成严重危害。NO主要来源于化石燃料的燃烧，如汽车尾气和电厂燃煤。随着大气中NO浓度的不断升高，开发高效的NO减排技术变得尤为迫切。传统的NO减排技术，如选择性催化还原和吸附，由于经济成本较高，难以广泛应用于环境净化。相比之下，光催化技术因其节能且环境友好而成为一种可行的解决方案。
近期，宁波诺丁汉大学任勇教授、王静等人通过微流控纺丝技术成功开发出可调控壁厚的中空CNT/TiO2/海藻酸钙光催化纤维，实现了NO的高效降解与材料循环利用。通过调控微流控流速比优化纤维结构，结合CNT与TiO2的异质结效应，显著提升了材料可见光响应能力与载流子分离效率，其可见光下NO去除率达44.3%，且循环四次后性能仅下降4%。相关研究以“Continuous fabrication of hollow photocatalytic CNT/TiO2/calcium alginate microfibers via needle-based microfluidic device for environmental remediation in NO removal”为题目，发表在期刊《Journal of Environmental Chemical Engineering》上。
本文要点：
1、本研究通过溶胶-凝胶法和微流控技术，成功制备了负载CNT/TiO2光催化剂的中空海藻酸钙微纤维，用于环境修复中的NO去除。
2、纤维直径约1000 μm，壁厚可调（60-150 μm），通过SEM和显微镜验证了其均匀结构与空腔特征。
3、调控内/外相流速比优化了纤维形成条件，XRD、FT-IR和XPS分析表明CNT与TiO2通过Ti-O-C键结合，形成异质结构。
4、UV-Vis光谱显示CNT的引入显著提升了可见光吸收能力，光电流响应和电化学阻抗证实其有效促进光生电子-空穴分离。
5、优化的CNT(10%)/TiO2微纤维在可见光下NO去除率达44.3%，是纯TiO2的1.59倍，且循环稳定性良好。
6、该工作首次通过微流控技术实现CNT/TiO2中空纤维的连续制备，为光催化材料的高效负载与规模化应用提供了新思路。
微流体技术在制备CNT/TiO2/海藻酸钙中空微纤维中的优势是什么？
1、精确控制纤维形态：微流体技术能够通过精确控制不同相的流速比来调节中空微纤维的壁厚，使其在60–150 µm范围内可调。这种精确的形态控制为光催化剂的负载提供了理想的结构，有助于提高光催化反应的效率。
2、连续化生产：该技术实现了中空微纤维的连续化制备，避免了传统湿法纺丝等方法中存在的复杂步骤和苛刻反应条件，使得生产过程更加简便、高效，且易于规模化放大，具有工业化生产的潜力。
3、均匀分散光催化剂：在微流体纺丝过程中，CNT/TiO2光催化剂能够均匀地分散在海藻酸钙纤维中，避免了光催化剂的团聚现象，从而提高了光催化剂的利用率和光催化性能。
为什么CNT/TiO2复合材料在光催化降解NO方面表现出比纯TiO2更好的性能？
1、可见光吸收能力增强：CNT的加入使复合材料在可见光区域的吸收能力显著提高，吸收边发生明显的红移。这表明CNT/TiO2复合材料能够在可见光下被有效激活，利用更广泛的光谱范围进行光催化反应，从而提高了光催化降解NO的效率。
2、带隙能降低：通过Tauc方法计算得到，纯TiO2的带隙能为3.32 eV，而CNT(10%)/TiO2的带隙能降低到3.12 eV。带隙能的降低使得光催化剂更容易被可见光激发，产生更多的光生载流子参与反应，进而提高了光催化性能。
3、光生载流子分离效率提高：从电化学测试结果来看，CNT(10%)/TiO2的光电流密度明显高于纯TiO2，且电化学阻抗谱（EIS）中对应的弧半径更小，表明其电子转移电阻更低。这说明CNT的引入促进了TiO2中光生电子和空穴的分离与转移，减少了载流子的复合，从而提高了光催化效率。
图1.通过微流体装置和光催化实验装置制备含CNT/TiO2光催化剂的中空微纤维的过程。
图2.（a-c）纯中空微纤维和（d-f）CNT/TiO2/藻酸盐微纤维的显微镜图像和SEM图像，（g）CNT/Ti02/藻酸盐微纤维的EDX光谱。
图3.（a）不同流速下的纤维直径和壁厚，以及（b）PVP添加量的影响。
图4.制备的中空微纤维在100℃至600℃温度范围内的质量损失。
图5.（a）和（b）CNT(10%)/TiO2的SEM图像；（c）CNT(10%)/TiO2中C、O和Ti的对应元素映射图像；（d）CNT(10%)/TiO2的TEM图像；（e）是（d）中标记的虚线圆的放大图；（f）CNT(10%)/TiO2的HRTEM图像和TiO2中的相应晶格距离。
图6.（a）不同CNT/TiO2样品的XRD图谱，（b）CNT和CNT(10%)/TiO2的FT-IR光谱，（c）CNT(10%)/TiO2的全扫描XPS光谱，（d）Ti2p，（e）C1s和（f）O1s。
图7.（a）纯TiO2和CNT/TiO2样品的UV-vis DRS结果，（b）（αhν）1/2-（hν）曲线和计算的能带隙。（c）纯TiO2和CNT(10%)/TiO2的Mott-Schottky曲线和（d）带结构，（e）瞬态光电流响应曲线和（f）电化学阻抗谱。
图8.（a）CNT/TiO2光催化剂对NO的总去除率；在（b）可见光和（c）紫外光照射下，不同样品的NO去除率、NO2生成率、NOx去除率和NO3-选择性；以及（d）与其他基于TiO2的先进光催化剂的NOx去除性能的比较。
图9.（a）CNT/TiO2-海藻酸盐光催化剂用于NO降解的可重复使用性；（b）新鲜和使用过的光催化剂的XRD结果，以及（c）使用过的微纤维的SEM图像。
图10.CNT(10%)/TiO2与纯TiO2的DMPO-•OH（a）及DMPO-•O2-（b）的EPR信号峰；（c）自由基清除剂存在下CNT(10%)/TiO2的光催化性能。
图11.光照射下CNT/TiO2中NO氧化机理示意图。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jece.2025.115750
