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摘 要

研究一种能够在微量级上产生流动和混合的阵列，因为它在经受旋转磁场时产生类似于天然纤毛的运动。与传统光催化模式相比，磁性仿生纤毛具有独特的微流控操作能力。在旋转磁场上它使用自己独特的运动产生涡流来加速降解物质的内部传质和解吸。此外，特殊的纤毛状结构增加了表面积和光吸收，相比较传统光催化，增加了催化的效率。本实验通过磁场自组装诱导法制备仿生纤毛并实现对纤毛结构的调控，尝试通过改变模具尺寸、模具高度、纤毛密度、PDMS浓度等参量，去观察不同的仿生纤毛对流体的操纵能力。结果现实，样品对流体的操纵性能随仿生纤毛阵列的高度、直径及密度的增加而增强。并随着磁驱动频率的增加先增强后降低，以20.5 Hz时效果达到最好，通过实分析，微流体速度可达27.1mm/s。

关键词： 光催化 仿生纤毛 磁场自组装诱导法 微流体

Study on the Structure Adjustment and Performance of Artificial Cilia Array

ABSTRACT

An array of flow and mixing that can be produced at the micro-scale is studied because it produces a motion similar to natural cilia when subjected to a rotating magnetic field. Compared with the traditional photocatalytic model, magnetic artificial cilia has a unique microfluidic operation capability. In the rotating magnetic field it uses its own unique movement to produce eddy currents to accelerate the internal mass transfer and desorption of the degraded matter. In addition, the special ciliary structures increases the surface area and light absorption, compared to conventional photocatalysis, increasing the catalytic efficiency.

In this study, we made the artificial cilia by magnetically-induced-self-assembly method and realized the regulation of cilia structure. We tried to observe the manipulation ability of different artificial cilia by changing the parameters such as mold size, mold height, cilia density and PDMS concentration. As a result, the maneuverability of the sample to the fluid increases with increasing height, diameter and density of the artificial cilia array. And increased with the increase of the magnetic drive frequency. The best results were obtained at 20.5 Hz. The microfluidic velocity was up to 27.1 mm / s by PIV analysis.

Keywords: Photocatalysis, Artificial cilia, Magnetically-induced-self-assembly, method Microfluid

目 录

仿生纤毛阵列的结构调控及性能研究 I

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 4

1.1 光催化技术概述 5

1.1.1 光催化技术的起源及特点 5

1.1.2 光催化薄膜的可控合成方法 5

1.1.3 光催化反应器 7

1.2 光催化的优点 8

1.3 光催化技术的应用研究展望 8

1.4 论文的提出和研究意义 9

第二章 实验部分 10

2.1 实验原料 10

2.2 实验设备 10

2.3 试样品的制备 11

2.3.1 仿生纤毛阵列的制备过程 11

2.3.2 催化剂在仿生纤毛阵列上的复合 11

2.4 样品的测试 12

2.4.1 X射线衍射分析 12

2.4.2 粒子图像测速（PIV） 12

第三章 实验结果与讨论 14

3.1 制备样品的表征 14

3.1.1 XRD测试结果 14

3.1.2 TEM测试结果 15

3.2 仿生纤毛阵列的结构调控 15

3.2.1 PDMS含量对阵列结构参数的影响 15

3.2.2 前驱液填充量对阵列结构参数的影响 17

3.3 仿生纤毛阵列的性能测试 18

3.3.1 仿生纤毛在周期磁场中的运动 18

3.2.2 仿生纤毛阵列对微流体的调控性能 20

第四章 结论与展望 23

4.1 结论 23

4.2 展望 23

参考文献 25

致 谢 26

第一章 绪论

经过工业化生产后，世界对于能源的要求愈来愈大，可是化石燃料不可再生，并且燃烧所产生的残渣和废气对于环境污染也是十分严重的，由此引起的能源危机和环境污染十分严重。因此，科学家积极寻找新能源来代替传统能源的，为此进行了各种探索。海洋中的能源貌似能够利用，但是提取却十分艰难，并且耗能巨大，所以提炼出来的能源并不能当做常规能源来使用。

水解产氢的发现使得清洁能源的大量生产有望变成现实。首先，产氢原料是水，一种简单易得的原料，并且这种原料便宜来源广泛、无毒，是制造能源的理想原料。

产生氢气的途径到目前为止有许多，有一个高效途径就是利用光催化来生产气体，利用光来激发催化剂，然后使水变成氧气和氢气。然而传统的光催化剂通常以粉末形式存在悬浮液中。这种颗粒催化剂通常表现出很强的效率^[1]，但是缺点也是十分明显的，催化剂存在于反应器当中，虽然增强了反应效率，但是在这些反应结束后的却难以实现回收和再利用。考虑到实际应用，催化剂的回收是十分艰难的，并且为了达到再利用的效果，所投入的成本和产出是不成正比的，因此大大限制了其可持续和广泛的利用。

磁性颗粒与光催化剂的结合提供了解决这个问题的方法。磁性光催化剂可以借助于外部磁场从悬浮液中轻易地分离和收集。然而，光催化活性和稳定性将因为流体的混合动作带来负面影响，因为磁性颗粒可以作为光生电子-空穴的重组中心，并在照射下被光腐蚀^[2,3] 。可是如果在磁性颗粒和光催化剂之间添加中间绝缘体（例如SiO₂）就可以可以抑制电子-空穴对的重组^[3,4] .但是，结构复杂性对于应用的设计和合成将是一个挑战

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