[发明专利]基于光子晶体光纤的表面等离子体光催化反应装置

说明书

技术领域

本发明涉及光信息和光催化技术领域，特别是涉及一种光子晶体光纤、对光子晶体光纤的空气孔进行选择性填充的方法和基于光子晶体光纤的表面等离子体光催化反应装置。

背景技术

1972年Fujishima和Honda教授利用TiO₂电极在光照下分解水产生氢气和氧气，之后光催化技术就成为催化领域一个极其重要的研究课题。光催化材料在解决能源和环境问题方面具有重要的应用前景，目前，光催化材料在光照射下分解水制氢、降解有机污染物、还原CO₂等方面，引起了国内外学者的广泛关注。过去几十年，人们对各种类型的半导体光催化材料进行了广泛的研究，并取得了一定的进展。目前，实验室研究多采用间歇式反应器，主要有两种类型：悬浮液型和固定床型。前者的光催化剂粉末悬浮在有机物溶液或水中，粉末与液相完全接触，但在液相中易凝聚失去活性，并易使光的穿透力受阻，尤其是造成处理后催化剂的分离与回收困难；后者虽可避免光催化剂的分离和回收的困难，但仅有光催化剂的部分面积能有效地与液体接触。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种光子晶体光纤，旨在有效提高气态反应物与催化剂的接触面积和反应时间，以及激光能量的利用率。

本发明是这样实现的，一种光子晶体光纤的纤芯具有若干空气孔，至少部分所述空气孔填充有表面等离子体光催化剂。

进一步地，所述表面等离子体光催化剂包括下述至少一种或多种：银、氯化银、溴化银、碘化银、二氧化钛。

本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种对光子晶体光纤的空气孔进行选择性填充的方法，包括下述步骤：

步骤A，制备表面等离子体光催化剂的分散液；

步骤B，通过预定大小的放电电流对空芯光子晶体光纤中纤芯的空气孔进行放电，使一部分空气孔塌陷并封闭，另一部分空气孔保持开放；

步骤C，将所述表面等离子体光催化剂的分散液注入步骤B中保持开放的空气孔中。

进一步地，所述步骤A包括下述步骤：

步骤A1，将一定量的光催化剂粉体材料和水或者乙醇溶液混合；

步骤A2，施加超声波使光催化剂粉体材料均匀分散；

步骤A3，利用离心机分层，获得分散均匀的表面等离子体光催化剂的分散液。

进一步地，在所述步骤A2和A3之间，还包括下述步骤:

步骤A4，在步骤A2得到的分散液中加入稳定剂。

进一步地，所述步骤C包括下述步骤：

步骤C1，将分散液定量地注入进光子晶体光纤的纤芯保持开放的空气孔中；

步骤C2，对步骤C1得到的光子晶体光纤烘干处理，使光催化剂均匀附着在纤芯空气孔内壁上。

进一步地，所述步骤C2中光子晶体光纤的烘干处理温度为60-80℃。

本发明所要解决的第三个技术问题在于提供一种基于光子晶体光纤的表面等离子体光催化反应装置，包括依次连接的固体激光器、中性滤光片、真空气室、光催化反应产物收集装置；

所述真空气室沿光路方向包括依次排列的聚焦显微镜、光子晶体光纤和固定光子晶体光纤的V-型槽光纤夹具。

进一步地，所述光催化反应产物收集装置后端放置有激光功率检测装置和/或气相色谱仪，所述真空气室内的光子晶体光纤置于V-型槽光纤夹具上。

进一步地，所述光子晶体光纤与真空气室的连接处用聚四氟乙烯密封圈密封。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用光子晶体光纤作为传光媒介和催化剂的载体，同时作为反应物的运输通道，其长度具有可灵活控制的优点，结合激光具有高能量密度、高光束质量、高电光转换效率、易于光纤耦合等优点，可有效提高气态反应物与催化剂的接触面积和反应时间，同时沿着光纤轴向方向，激光与光催化剂的相互作用距离长，可以有效提高激光能量的利用率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于光子晶体光纤的表面等离子体光催化反应装置的架构示意图；

图2为本发明实施例提供的激光和气体在光子晶体光纤纤芯空气孔中同时运输的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。