一种光驱动用于环境修复的微型机器人的制备方法技术

一种光驱动用于环境修复的微型机器人的制备方法，通过溶剂法或煅烧法去除核壳结构球形粒子内部聚合物，得到具有光催化性的中空结构微球；将具有光催化性的中空微球加入到含有非金属或金属离子的溶液中反应后，制得离子掺杂的具有光催化性的中空微球；将离子掺杂的具有光催化性的中空微球置于衬底表面，再在中空微球的半球面沉积一层或多层功能层，然后再使衬底脱落。该类机器人能够在太阳光的作用下实现自驱动和长期运行工作。通过非金属元素或金属离子掺杂能够有效窄化具有光催化性能的粒子的带隙并提高其光生电子‑空穴的分离效率，从而提高微型机器人的可见光响应性和催化效率，使其有效利用可见光实现自驱动和光催化降解有机污染物的功能。

Method for preparing micro robot driven by light and used for environmental restoration

A method for preparing a light driven micro robot environment repair, removal of the core-shell structure of spherical particles inside the polymer by solvent method and calcination method, hollow microspheres have photocatalytic properties; hollow microspheres with photocatalysis will be added to the reaction solution containing non metal or metal ions after hollow microspheres with photocatalysis prepared ion doped ion doped; photocatalytic hollow microspheres on the surface of the substrate, and then the hollow microspheres of the hemispherical surface deposition layer or multilayer functional layer, and then make the substrate off. The robot can realize self - drive and long - term operation under the influence of sunlight. Through non metals or metal ion doping can effectively narrow the band gap of the photocatalytic properties of particles and improve the photogenerated electron hole separation efficiency, so as to improve the micro robot of visible light response and catalytic efficiency, the effective utilization of visible light to realize the function of self drive and photocatalytic degradation of organic pollutants.

【技术实现步骤摘要】
一种光驱动用于环境修复的微型机器人的制备方法
本专利技术属于微纳米机械制造、环境监测及环境修复等工程
，具体涉及一种光驱动用于环境修复的微型机器人的制备方法。
技术介绍
大量有毒、有害污染水的排放，不仅给周围生物和环保人员带来严重的危害，而且对可持续发展和人类赖以生存的水资源系统造成严重的威胁。水环境的持续恶化，人口数量的快速增长和对清洁水资源需求的增加，迫切需要寻求新的技术和方案来保护人类赖以生存的水资源，确保获得可持续利用和清洁的水资源。纳米材料及其技术已在水环境监测和环境修复等领域取得了可观的实际效果，然而对于污染的水源，不仅需要投入大量的环境修复剂，而且需要环保人员亲临现场进行监测并移动庞大的搅拌设备来完成水环境的修复。现有微型机器人常需额外添加“燃料”或引入贵金属来提供动力，不仅会对环境造成二次污染且其寿命较短，不适于实际环境的应用。同时，由于污染水源的组份通常较复杂，而常用的环境修复剂难以实现同时对多种污染物的分解和去除。因此，为了解决目前污染水域环境监测、环境修复过程中的工况复杂、所需设备繁杂、能源消耗巨大、人身危害大及作用效率差等难题，迫切需要开发一款能够在无需机械搅拌的情况下实现在复杂污染水环境中的自驱动、环境监测和环境修复等功能的微型机器人，以减少地面工作人员与有毒有害污染物的接触时间并实现快速、有效监测和修复水体的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种光驱动用于环境修复的微型机器人的制备方法，能够用于环境监测和环境修复用，其集成光驱动、水环境风险检测及原位修复等多种先进技术和功能于一体，结构简单，作用效率高，可以实现大面积复杂水环境污染的监测和快速修复。该类微型机器人弥补了现有环保用微型机器人需额外添加“燃料”提供动力、寿命短以及存在潜在环境危害的缺点，可以将环境检测人员的伤害和环保成本降至最低。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种光驱动用于环境修复的微型机器人的制备方法，包括以下步骤：(1)首先，将具有光催化性粒子的前驱体溶液与聚合物微球混合，制备出内部为聚合物外部为具有光催化性粒子的核壳结构球形粒子；其次，再通过溶剂法或煅烧法去除核壳结构球形粒子内部聚合物，得到具有光催化性的中空结构微球；最后，将具有光催化性的中空微球加入到含有非金属或金属离子的溶液中反应后，制得离子掺杂的具有光催化性的中空微球；(2)将离子掺杂的具有光催化性的中空微球置于衬底表面，再在中空微球的半球面沉积一层或多层功能层，然后再将微球连同衬底置于水或有机溶剂中超声至衬底脱落，制备出具有光驱动用于环境修复的微型机器人。本专利技术进一步的改进在于，具有光催化性粒子的前驱体溶液为钛酸四丁酯的无水乙醇溶液、含有醋酸锌和四氯化钛的溶液、四氯化钛的乙醇溶液或橙黄色透明液体，其中，橙黄色透明液体通过以下过程制得：将1.0mol/L的四氯化钛水溶液12mL滴入20mL5wt％的氨水中，产生沉淀，离心后采用去离子水洗涤所生成的沉淀产物至pH＝7后，再向沉淀产物中加入过氧化氢至溶液变为橙黄色透明液体。本专利技术进一步的改进在于，当具有光催化性粒子的前驱体为酸四丁酯的无水乙醇溶液时，聚合物微球与酸四丁酯的质量比为6:1，当具有光催化性粒子的前驱体为含有醋酸锌和四氯化钛的溶液时，聚合物微球、醋酸锌与四氯化钛的比为6g：0.05mol：0.01mol，当具有光催化性粒子的前驱体为四氯化钛的乙醇溶液时，聚合物微球与四氯化钛的比为3g：0.02mol。本专利技术进一步的改进在于，步骤(1)中制备的具体条件为：在100～200℃下加热2～12h或者在室温下陈化12h。本专利技术进一步的改进在于，聚合物微球的粒径为10nm～200μm。本专利技术进一步的改进在于，聚合物微球为聚苯乙烯微球或碳微球。本专利技术进一步的改进在于，含有非金属的溶液为乙二胺水溶液、氨水或三聚氰胺水溶液。本专利技术进一步的改进在于，含有金属离子的溶液为含有醋酸锌和四氯化钛的溶液或氯化钛的乙醇溶液；含有醋酸锌和四氯化钛的溶液中醋酸锌的浓度为0.5mol/L，四氯化钛的浓度为0.5mol/L；氯化钛的乙醇溶液的浓度为0.5mol/L。本专利技术进一步的改进在于，离子掺杂的具有光催化性的中空微球中非金属或金属离子的掺杂量为具有光催化性的中空微球的质量的0.05％～5％。本专利技术进一步的改进在于，衬底为铝箔、金箔、铜箔、银箔、锡箔、铁片、铂片、锌片或导电玻璃；通过物理气相沉积法、化学气相沉积法、自蔓延高温合成法、等离子体法或电镀法在中空微球的半球面沉积一层或多层功能层；功能层的总厚度为5～300nm；有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿、四氯化碳、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、苯、甲苯、二甲苯、氯苯、二氯苯或三氯苯；功能层的总质量占微型机器人总质量的5～60％。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：由于本专利技术中将具有光催化性能的粒子设计为中空结构，能够有效降低最终微型机器人的体积密度，从而提高其光驱动的运行速率和环境修复效率。同时，相比于其它微型机器人，该类机器人能够在太阳光的作用下实现自驱动和长期运行工作。通过非金属元素或金属离子掺杂能够有效窄化具有光催化性能的粒子的带隙并提高其光生电子-空穴的分离效率，从而提高微型机器人的可见光响应性和催化效率，使其有效利用可见光实现自驱动和光催化降解有机污染物的功能。通过将具有光催化性的中空球形粒子置于衬底表面可使其仅沉积在具有光催化性的中空球形粒子的半球面，从而制备出不对称球形结构的微型机器人，在光催化作用下未沉积功能层的半球面分解水产生氢气气泡产生驱动力，从而实现微型机器人的光驱动。通过控制沉积时的时间来制备不同浓度掺杂和不同厚度层的微型机器人，制备可控性好，获得的微型机器人也具有明显的物理化学性质差异，赋予了微型机器人不同的功能性，即磁场诱导、催化分解、吸附或回收再利用等。该方法易操作、成本低，且在处理大面积复杂污染水环境方面具有广泛的应用前景。进一步的，当通过在微型机器人中引入磁性层，能够赋予其磁响应性，从而使其在应用过程中可以通过磁场诱导沿一定的轨迹运行至目标区域进行水环境监测、修复以及回收再利用。附图说明图1为实施例1中Ni/Au/N-TiO2中空微型机器人的结构。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术陈述的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动和修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。实施例1(1)首先，将预先购买的3g的聚苯乙烯微球(直径为1μm)分散到0.5mol/L的十六烷基三甲基溴化铵水溶液中，超声10min后取出干燥。超声的目的是活化聚苯乙烯微球表面。将1.0mol/L的四氯化钛水溶液12mL滴入20mL5wt％的氨水中，产生沉淀，离心后采用去离子水洗涤所生成的沉淀产物至pH＝7后，再向沉淀产物中加入过量质量浓度30％的过氧化氢至溶液变为橙黄色透明液体，即为具有光催化性粒子的前驱体。其次，将步骤(1)干燥的聚苯乙烯微球加入橙黄色透明液体中，在250mL三口烧瓶中100℃反应8h，产物经洗涤、过滤、真空干燥，得到为具有光催化性粒子的核壳结构球形粒子，将真空干燥后的产物置于550℃下煅烧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光驱动用于环境修复的微型机器人的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)首先，将具有光催化性粒子的前驱体溶液与聚合物微球混合，制备出内部为聚合物外部为具有光催化性粒子的核壳结构球形粒子；其次，再通过溶剂法或煅烧法去除核壳结构球形粒子内部聚合物，得到具有光催化性的中空结构微球；最后，将具有光催化性的中空微球加入到含有非金属或金属离子的溶液中反应后，制得离子掺杂的具有光催化性的中空微球；(2)将离子掺杂的具有光催化性的中空微球置于衬底表面，再在中空微球的半球面沉积一层或多层功能层，然后再将微球连同衬底置于水或有机溶剂中超声至衬底脱落，制备出具有光驱动用于环境修复的微型机器人。

【技术特征摘要】
1.一种光驱动用于环境修复的微型机器人的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)首先，将具有光催化性粒子的前驱体溶液与聚合物微球混合，制备出内部为聚合物外部为具有光催化性粒子的核壳结构球形粒子；其次，再通过溶剂法或煅烧法去除核壳结构球形粒子内部聚合物，得到具有光催化性的中空结构微球；最后，将具有光催化性的中空微球加入到含有非金属或金属离子的溶液中反应后，制得离子掺杂的具有光催化性的中空微球；(2)将离子掺杂的具有光催化性的中空微球置于衬底表面，再在中空微球的半球面沉积一层或多层功能层，然后再将微球连同衬底置于水或有机溶剂中超声至衬底脱落，制备出具有光驱动用于环境修复的微型机器人。2.根据权利要求1所述的一种光驱动用于环境修复的微型机器人的制备方法，其特征在于，具有光催化性粒子的前驱体溶液为钛酸四丁酯的无水乙醇溶液、含有醋酸锌和四氯化钛的溶液、四氯化钛的乙醇溶液或橙黄色透明液体，其中，橙黄色透明液体通过以下过程制得：将1.0mol/L的四氯化钛水溶液12mL滴入20mL5wt％的氨水中，产生沉淀，离心后采用去离子水洗涤所生成的沉淀产物至pH＝7后，再向沉淀产物中加入过氧化氢至溶液变为橙黄色透明液体。3.根据权利要求2所述的一种光驱动用于环境修复的微型机器人的制备方法，其特征在于，当具有光催化性粒子的前驱体为酸四丁酯的无水乙醇溶液时，聚合物微球与酸四丁酯的质量比为6:1，当具有光催化性粒子的前驱体为含有醋酸锌和四氯化钛的溶液时，聚合物微球、醋酸锌与四氯化钛的比为6g：0.05mol：0.01mol，当具有光催化性粒子的前驱体为四氯化钛的乙醇溶液时，聚合物微球与四氯化钛的比为3g：0.02mol。4.根据权利要求1所述的一种光驱动用于环境修...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘超，马建中，鲍艳，冯昕钰，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61