專利名稱：基于光子晶體光纖的表面等離子體光催化反應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光信息和光催化技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種光子晶體光纖、對光子晶體光纖的空氣孔進(jìn)行選擇性填充的方法和基于光子晶體光纖的表面等離子體光催化反應(yīng)
>J-U ρ α裝直。
背景技術(shù)：
1972年Fujishima和Honda教授利用TiO2電極在光照下分解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，之后光催化技術(shù)就成為催化領(lǐng)域一個(gè)極其重要的研究課題。光催化材料在解決能源和環(huán)境問題方面具有重要的應(yīng)用前景，目前，光催化材料在光照射下分解水制氫、降解有機(jī)污染物、還原CO2等方面，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。過去幾十年，人們對各種類型的半導(dǎo)體光催化材料進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了一定的進(jìn)展。目前，實(shí)驗(yàn)室研究多采用間歇式反應(yīng)器，主要有兩種類型懸浮液型和固定床型。前者的光催化劑粉末懸浮在有機(jī)物溶液或水中，粉末與液相完全接觸，但在液相中易凝聚失去活性，并易使光的穿透力受阻，尤其是造成處理后催化劑的分離與回收困難；后者雖可避免光催化劑的分離和回收的困難，但僅有光催化劑的部分面積能有效地與液體接觸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問題在于提供一種光子晶體光纖，旨在有效提高氣態(tài)反應(yīng)物與催化劑的接觸面積和反應(yīng)時(shí)間，以及激光能量的利用率。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種光子晶體光纖的纖芯具有若干空氣孔，至少部分所述空氣孔填充有表面等離子體光催化劑。進(jìn)一步地，所述表面等離子體光催化劑包括下述至少一種或多種銀、氯化銀、溴化銀、碘化銀、二氧化鈦。本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問題在于提供一種對光子晶體光纖的空氣孔進(jìn)行選擇性填充的方法，包括下述步驟步驟A，制備表面等離子體光催化劑的分散液；步驟B，通過預(yù)定大小的放電電流對空芯光子晶體光纖中纖芯的空氣孔進(jìn)行放電，使一部分空氣孔塌陷并封閉，另一部分空氣孔保持開放；步驟C，將所述表面等離子體光催化劑的分散液注入步驟B中保持開放的空氣孔中。進(jìn)一步地，所述步驟A包括下述步驟 步驟Al，將一定量的光催化劑粉體材料和水或者乙醇溶液混合；步驟A2，施加超聲波使光催化劑粉體材料均勻分散；步驟A3，利用離心機(jī)分層，獲得分散均勻的表面等離子體光催化劑的分散液。進(jìn)一步地，在所述步驟A2和A3之間，還包括下述步驟步驟A4，在步驟A2得到的分散液中加入穩(wěn)定劑。
進(jìn)一步地，所述步驟C包括下述步驟步驟Cl，將分散液定量地注入進(jìn)光子晶體光纖的纖芯保持開放的空氣孔中；步驟C2，對步驟Cl得到的光子晶體光纖烘干處理，使光催化劑均勻附著在纖芯空氣孔內(nèi)壁上。進(jìn)一步地，所述步驟C2中光子晶體光纖的烘干處理溫度為60_80°C。本發(fā)明所要解決的第三個(gè)技術(shù) 問題在于提供一種基于光子晶體光纖的表面等離子體光催化反應(yīng)裝置，包括依次連接的固體激光器、中性濾光片、真空氣室、光催化反應(yīng)產(chǎn)物收集裝置；所述真空氣室沿光路方向包括依次排列的聚焦顯微鏡、光子晶體光纖和固定光子晶體光纖的V-型槽光纖夾具。進(jìn)一步地，所述光催化反應(yīng)產(chǎn)物收集裝置后端放置有激光功率檢測裝置和/或氣相色譜儀，所述真空氣室內(nèi)的光子晶體光纖置于V-型槽光纖夾具上。進(jìn)一步地，所述光子晶體光纖與真空氣室的連接處用聚四氟乙烯密封圈密封。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是采用光子晶體光纖作為傳光媒介和催化劑的載體，同時(shí)作為反應(yīng)物的運(yùn)輸通道，其長度具有可靈活控制的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合激光具有高能量密度、高光束質(zhì)量、高電光轉(zhuǎn)換效率、易于光纖耦合等優(yōu)點(diǎn)，可有效提高氣態(tài)反應(yīng)物與催化劑的接觸面積和反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)沿著光纖軸向方向，激光與光催化劑的相互作用距離長，可以有效提高激光能量的利用率。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于光子晶體光纖的表面等離子體光催化反應(yīng)裝置的架構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的激光和氣體在光子晶體光纖纖芯空氣孔中同時(shí)運(yùn)輸?shù)氖疽鈭D。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。在本發(fā)明實(shí)施例中，通過采用光子晶體光纖作為傳光媒介和催化劑的載體，同時(shí)作為反應(yīng)物的運(yùn)輸通道，結(jié)合激光具有高能量密度、高光束質(zhì)量、高電光轉(zhuǎn)換效率、易于光纖耦合等優(yōu)點(diǎn)，有效提高了氣態(tài)反應(yīng)物與催化劑的接觸面積和反應(yīng)時(shí)間以及激光能量的利用率。如圖I所示為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于光子晶體光纖的表面等離子體光催化反應(yīng)裝置的架構(gòu)示意圖，圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例提供的激光和氣體在光子晶體光纖纖芯空氣孔中同時(shí)運(yùn)輸?shù)氖疽鈭D?；诠庾泳w光纖的表面等離子體光催化反應(yīng)裝置，包括依次連接的固體激光器I、中性濾光片2、真空氣室3、光催化反應(yīng)產(chǎn)物收集裝置4、激光功率檢測裝置5和/或氣相色譜儀6 ;所述真空氣室包括依次擺放的聚焦顯微鏡32、光子晶體光纖31和固定光子晶體光纖兩端的V-型槽光纖夾具33 ;所述真空氣室3內(nèi)的光子晶體光纖31置于V-型槽光纖夾具33上，所述激光功率檢測裝置5和氣相色譜儀6置于光催化反應(yīng)產(chǎn)物收集裝置4后端。結(jié)合圖I和圖2，本發(fā)明實(shí)施例中，使用基于光子晶體光纖的表面等離子體光催化反應(yīng)裝置前，先要對光子晶體光纖31的空氣孔進(jìn)行選擇性填充，其填充方法包括下述步驟步驟A，制備表面等離子體光催化劑的分散液；步驟B，通過預(yù)定大小的放電電流對空芯光子晶體光纖中纖芯的空氣孔312進(jìn)行放電，使尺寸較小的一部分空氣孔312塌陷并封閉，尺寸較大的另一部分空氣孔312保持開放；步驟C，將所述表面等離子體光催化劑的分散液注入步驟B中保持開放的空氣孔312 中。所述步驟A包括下述步驟步驟Al，將一定量的光催化劑粉體材料和水或者乙醇溶液混合；步驟A2，施加超聲波使光催化劑粉體材料均勻分散；步驟A3，利用離心機(jī)分層，獲得分散均勻的表面等離子體光催化劑的分散液。在所述步驟A2和A3之間，還包括下述步驟步驟A4，在步驟A2得到的分散液中加入穩(wěn)定劑。 所述步驟C包括下述步驟步驟Cl，將分散液定量地注入進(jìn)光子晶體光纖31的纖芯保持開放的空氣孔312中；步驟C2，對步驟Cl得到的光子晶體光纖31烘干處理，使光催化劑均勻附著在纖芯空氣孔312內(nèi)壁上。所述步驟C2中光子晶體光纖31的烘干處理溫度為60_80°C。本發(fā)明實(shí)施例中，進(jìn)行光催化降解有機(jī)污染氣體時(shí)，將氣體反應(yīng)物7 (如甲醛、丙酮、三氯乙烯等)載入真空氣室3，由固體激光器I產(chǎn)生的激光8用中性濾光片2控制功率，然后再經(jīng)過聚焦顯微物鏡32耦合進(jìn)光子晶體光纖31，光子晶體光纖31兩端用V-型槽夾具33固定。光子晶體光纖31與真空氣室3的連接處用聚四氟乙烯密封圈密封，保證真空氣室3的密閉性。光子晶體光纖31 —端作為氣體反應(yīng)物7和激光8的輸入端,另一端作為光催化反應(yīng)產(chǎn)物的收集端和激光功率的檢測端。為保證氣體反應(yīng)物7的充分輸運(yùn)，擬采用端面輸運(yùn)和側(cè)面輸運(yùn)結(jié)合的方式，用飛秒激光微加工系統(tǒng)在光子晶體光纖31的側(cè)面制作多入口的微通道311與纖芯連通，通過選擇匹配的聚焦顯微物鏡32實(shí)現(xiàn)激光8與光子晶體光纖31的高耦合效率并保證氣體反應(yīng)物7的充分輸運(yùn)。采用氣相色譜儀6對催化產(chǎn)物進(jìn)行分析，檢測反應(yīng)物的降解率，結(jié)合反應(yīng)器有效容積和光催化劑的用量，分析以ymol/h · gcat為單位的光催化產(chǎn)物產(chǎn)量。采用激光功率檢測裝置5測量光纖輸入/輸出端的功率，定量分析光催化的光量子效率。通過改變光功率、光輻照時(shí)間、光纖長度、氣體流量等條件，研究光催化性能的影響。上述基于光子晶體光纖的表面等離子體光催化反應(yīng)裝置可以擴(kuò)充為多個(gè)光子晶體光纖31光纖束并聯(lián)的光催化反應(yīng)模式的裝置，從而可大大提高光催化處理的容量和速度。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精
神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光子晶體光纖，其特征在于，所述光子晶體光纖的纖芯具有若干空氣孔，至少部分所述空氣孔填充有表面等離子體光催化劑。
2.如權(quán)利要求I所述的光子晶體光纖，其特征在于，所述表面等離子體光催化劑包括下述至少一種或多種銀、氯化銀、溴化銀、碘化銀、二氧化鈦。
3.一種對光子晶體光纖的空氣孔進(jìn)行選擇性填充的方法，其特征在于，包括下述步驟 步驟A，制備表面等離子體光催化劑的分散液； 步驟B，通過預(yù)定大小的放電電流對空芯光子晶體光纖中纖芯的空氣孔進(jìn)行放電，使一部分空氣孔塌陷并封閉，另一部分空氣孔保持開放； 步驟C，將所述表面等離子體光催化劑的分散液注入步驟B中保持開放的空氣孔中。
4.如權(quán)利要求3所述的對光子晶體光纖的空氣孔進(jìn)行選擇性填充的方法，其特征在于，步驟A包括下述步驟 步驟Al，將一定量的光催化劑粉體材料和水或者乙醇溶液混合； 步驟A2，施加超聲波使光催化劑粉體材料均勻分散； 步驟A3，利用離心機(jī)分層，獲得分散均勻的表面等離子體光催化劑的分散液。
5.如權(quán)利要求4所述的對光子晶體光纖的空氣孔進(jìn)行選擇性填充的方法，其特征在于，在步驟A2和A3之間，還包括下述步驟 步驟A4，在步驟A2得到的分散液中加入穩(wěn)定劑。
6.如權(quán)利要求3所述的對光子晶體光纖的空氣孔進(jìn)行選擇性填充的方法，其特征在于，步驟C包括下述步驟 步驟Cl，將分散液定量地注入進(jìn)光子晶體光纖的纖芯保持開放的空氣孔中； 步驟C2，對步驟Cl得到的光子晶體光纖烘干處理，使光催化劑均勻附著在纖芯空氣孔內(nèi)壁上。
7.如權(quán)利要求6所述的對光子晶體光纖的空氣孔進(jìn)行選擇性填充的方法，其特征在于， 所述步驟C2中光子晶體光纖的烘干處理溫度為60°C -80°C。
8.一種基于光子晶體光纖的表面等離子體光催化反應(yīng)裝置，其特征在于，包括依次連接的固體激光器、中性濾光片、真空氣室、光催化反應(yīng)產(chǎn)物收集裝置； 所述真空氣室沿光路方向包括依次排列的聚焦顯微鏡、如權(quán)利要求I或2所述的光子晶體光纖和固定光子晶體光纖的V-型槽光纖夾具。
9.如權(quán)利要求8所述的基于光子晶體光纖的表面等離子體光催化反應(yīng)裝置，其特征在于，所述光催化反應(yīng)產(chǎn)物收集裝置后端放置有激光功率檢測裝置和/或氣相色譜儀，所述真空氣室內(nèi)的光子晶體光纖置于V-型槽光纖夾具上。
10.如權(quán)利要求8所述的基于光子晶體光纖的表面等離子體光催化反應(yīng)裝置，其特征在于，所述光子晶體光纖與真空氣室的連接處用聚四氟乙烯密封圈密封。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光子晶體光纖的表面等離子體光催化反應(yīng)裝置，所述光子晶體光纖的纖芯具有若干空氣孔，通過對光子晶體光纖的空氣孔進(jìn)行選擇性填充的方法在部分所述空氣孔填充表面等離子體光催化劑，所述基于光子晶體光纖的表面等離子體光催化反應(yīng)裝置包括依次連接的固體激光器、中性濾光片、真空氣室、光催化反應(yīng)產(chǎn)物收集裝置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用光子晶體光纖作為傳光媒介和催化劑的載體，同時(shí)作為反應(yīng)物的運(yùn)輸通道，結(jié)合激光具有高能量密度、高光束質(zhì)量、高電光轉(zhuǎn)換效率、易于光纖耦合等優(yōu)點(diǎn)，可有效提高氣態(tài)反應(yīng)物與催化劑的接觸面積和反應(yīng)時(shí)間以及激光能量的利用率。
文檔編號B01J19/12GK102872779SQ20121026392
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者于永芹, 杜晨林, 閆培光, 鄭家容, 王繼順, 阮雙琛 申請人:深圳大學(xué)