CN107376799B - 一种高效的光催化反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效的光催化反应器，包括上盖板和基底，上盖板放置在基底上；其特征在于，基底上端面设置有基底上端面设置有矩形凹平面一，该矩形凹平面一内放置导电玻璃，该导电玻璃的上表面设有光催化剂；所述光催化剂为纳米棒阵列薄膜光催化剂；所述上盖板的下端面设置有矩形凹平面二，该矩形凹平面二与矩形凹平面一位置相对应；所述矩形凹平面二内设有倒置的微凸台阵列；所述上盖板上分别设有流体入口和流体出口，流体入口和流体出口分别通过微流体输入通道和微流体输出通道与矩形凹平面二连通；微流体输入通道和微流体输出通道设置在上盖板内；本发明结构简单，易于安装，成本低廉，反应效率高；可广泛应用于能源、环保等领域。

Description

一种高效的光催化反应器
技术领域
本发明涉及反应器，具体涉及一种高效的光催化反应器。
背景技术
环境污染和能源危机已成为人类社会发展的两大难题，光催化技术作为一种在能源和环境领域有着重要的前景的绿色技术，引起了研究者的极大关注。光催化是利用半导体材料做为催化剂将光能转化为化学能的新型技术。光催化剂的基本原理：在特定波长范围的光辐射下，作为光催化剂的半导体材料被激发出光生电子，电子和空穴分别具有很强的还原能力和氧化能力，与有机无机污染物、温室气体、细菌、病毒等反应。目前，光催化技术已经在废水处理、水分解制氢、光催化燃料电池及光催化还原CO2等中得到了广泛的应用。
因此，光催化技术在学术界迅速发展起来，不断有新的想法和产品出现，也出现了诸多需要突破的问题。比如，光催化剂的活性较低，光响应的波长范围较狭窄，光利用率低，反应效率低等。反应器设计和高效催化剂的制备是影响反应效率的两个重要因素。
光催化反应过程中，反应器主要影响光的传输，反应物质传输，光在反应器内的分布，催化剂与反应物接触面积等。高效的光催化剂配合反应器的优化设计才能够对太阳光充分利用，从而实现高效的光催化反应。
现如今，大部分光催化反应器都存在光子利用率低，质量传输受限等问题。近年来，微流控技术和光学技术融合诞生的一门新技术——光微流技术，从而为这些问题的解决找到了突破口。光微流技术具有提高反应传播速度，对流体操控有较高的灵敏度，光分布均匀，比表面积高等优点，可以有效地提高光催化反应的效率。
目前所采用的光催化剂为商用的P25(即TiO2纳米颗粒)居多。但由于TiO2纳米晶粒间混乱无序接触，电子传输性能低，且粉末状的TiO2回收分离成本高，所以在其使用过程中有其局限性。而形貌可控的一维纳米棒阵列型催化剂不仅提高了比表面积，增多了反应活性位点，而且加快了电子传输速率，有效抑制了光生电子-空穴对的复合，提高了光催化性能，同时制备方法简单，有着巨大的应用前景。
总之，利用光微流技术优化设计光催化反应器，结合高性能催化剂的使用，对于提高光催化反应效率，从而缓解能源危机和环境问题具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种高效的光催化反应器。
根据本发明的技术方案,一种高效的光催化反应器，包括上盖板和基底，上盖板放置在基底上；其特征在于，基底上端面设置有基底上端面设置有矩形凹平面一，该矩形凹平面一内放置导电玻璃，该导电玻璃的上表面设有光催化剂；所述光催化剂为纳米棒阵列薄膜光催化剂；所述上盖板的下端面设置有矩形凹平面二，该矩形凹平面二与矩形凹平面一位置相对应；所述矩形凹平面二内设有倒置的微凸台阵列；所述上盖板上分别设有流体入口和流体出口，流体入口和流体出口分别通过微流体输入通道和微流体输出通道与矩形凹平面二连通；微流体输入通道和微流体输出通道设置在上盖板内。
本发明在上盖板内布置倒置的微凸台阵列，在不影响光催化剂的前提下，能增强反应器内反应物质的流动和传输特性，其具备易于控制的特点。
本发明将形貌可控的纳米棒阵列薄膜光催化剂生长固定在导电玻璃的上表面，光照垂直射入光催化剂表面，光照强度均匀，催化剂比表面积大，能为光生电子的传输提供直接的传输通道，电子活性位点密度高，电子扩散速率较快，使得光催化过程连续快速的进行；避免了粒子间的跳跃传输，可以有效地减小电子-空穴的复合，大大增加了光催化剂和反应物质的接触面积，从而可以提高催化效率，光催化性能优异。
根据本发明所述的一种高效的光催化反应器的优选方案，微流体输入通道和微流体输出通道呈“树形”结构，使流体入口和流体出口分别通过若干个微流体输入子通道和若干个微流体输出子通道与矩形凹平面二连通。
本发明对微流体输入通道和微流体输出通道采用“树形”结构，保证了反应物质均匀地进入反应腔室，使反应物质与光催化剂均匀接触，提高了光催化剂的利用率。
根据本发明所述的一种高效的光催化反应器的优选方案，所述导电玻璃为FTO导电玻璃。
本发明所述的一种高效的光催化反应器的有益效果是:本发明融合了微流控技术和光学——光微流技术，其最大的特点在于系统内有光、流体以及光和流体之间相互作用这三个因素，继承了光学和微流技术的优点，光与流体间的相互作用方式多，传播速度快，对流体实现高灵敏度的操控；其次，由于光可以很容易聚焦到几百个纳米，提高了微流控芯片的精度，光在微纳尺度上精确操纵流体中的微小悬浮物；本发明结构简单，易于安装，成本低廉，反应系统紧凑，反应效率高；此外，在本反应器中采用形貌可控的纳米棒阵列薄膜光催化剂，有效的提高了反应物质与催化剂的接触反应面积，提高了光催化转化效率。本发明可广泛应用在能源、环保等领域。
附图说明
图1为本发明所述的一种高效的光催化反应器的立体分解结构示意图。
图2为本发明所述的一种高效的光催化反应器的安装示意图。
图3为本发明所述的上盖板1的结构示意图。
图4为本发明所述的基底7的安装示意图。
图5为纳米棒阵列薄膜光催化剂的SEM形貌扫描图。
图6为具体实施例中所采用纳米棒阵列薄膜光催化剂的形貌特征图。
具体实施方式
参见图1至图4,一种高效的光催化反应器，包括上盖板1和基底7，上盖板1放置在基底7上；基底7上端面设置有矩形凹平面一10，该矩形凹平面一10内放置导电玻璃9，导电玻璃9的大小与厚度同矩形凹平面一10相适应；该导电玻璃9的上表面设有光催化剂8，所述光催化剂8为纳米棒阵列薄膜光催化剂；所述上盖板1的下端面设置有矩形凹平面二2，该矩形凹平面二2与矩形凹平面一10位置相对应；所述矩形凹平面二2内设有倒置的微凸台阵列3；所述上盖板1上分别设有流体入口5和流体出口6，流体入口5和流体出口6分别通过微流体输入通道11和微流体输出通道4与矩形凹平面二2连通；微流体输入通道11和微流体输出通道4设置在上盖板1内。
在具体实施例中，微流体输入通道11和微流体输出通道4为呈“树形”结构凹槽，其凹槽深度与矩形凹平面二2的深度一致，使流体入口5和流体出口6分别通过若干个微流体输入子通道和若干个微流体输出子通道与矩形凹平面二2连通。
上盖板由聚二甲基硅氧烷(PDMS)浇筑而成，并采用紫外光刻的方法对倒置的微凸台阵列和“树形”微流体通道进行PDMS浇筑。所述导电玻璃9为FTO导电玻璃。倒置的微凸台阵列优选叉排的排列方式，可采用微凸台与微凸台之间呈正三角形方式排列，也可以采用其他排列方式。
本发明作为光催化反应器，光照透过为凸台反应器盖板垂直射入反应腔室内，反应流体从流体入口5进入，经过“树形”结构的微流体输入通道11均匀地流入由矩形凹平面二2构成的反应腔室内，反应物质在倒置的微凸台阵列3和光催化剂8之间流动，在光照下，催化剂产生电子-空穴对，激发的光生电子和光生空穴分别具有很强的还原能力和氧化能力。电子空穴对一方面参与了符合反应释放能量，另一方面转移到催化剂表面参与氧化还原反应，从而发生光催化反应。反应产物和未反应的物质通过微流体输出通道4和流体出口6流出反应腔室。
参见图5、图6；在具体实施例中，所述光催化剂8是半导体材料，是生长在FTO导电玻璃表面的纳米棒阵列薄膜光催化剂。该纳米棒阵列薄膜光催化剂采用水热制备法生成；当然作为等同替换，其他附着方式亦可，只要能满足使用要求即可。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高效的光催化反应器，包括上盖板(1)和基底(7)，上盖板(1)放置在基底(7)上；其特征在于，基底(7)上端面设置有矩形凹平面一(10)，该矩形凹平面一(10)内放置导电玻璃(9)，该导电玻璃(9)的上表面设有光催化剂(8)；所述光催化剂(8)为纳米棒阵列薄膜光催化剂；所述上盖板(1)的下端面设置有矩形凹平面二(2)，该矩形凹平面二(2)与矩形凹平面一(10)相对应；所述矩形凹平面二(2)内设有倒置的微凸台阵列(3)；所述上盖板(1)上分别设有流体入口(5)和流体出口(6)，流体入口(5)和流体出口(6)分别通过微流体输入通道(11)和微流体输出通道(4)与矩形凹平面二(2)连通；微流体输入通道(11)和微流体输出通道(4)设置在上盖板(1)内；微流体输入通道(11)和微流体输出通道(4)为呈“树形”结构凹槽，其凹槽深度与矩形凹平面二(2)的深度一致，使流体入口(5)和流体出口(6)分别通过若干个微流体输入子通道和若干个微流体输出子通道与矩形凹平面二(2)连通；并采用紫外光刻技术对倒置微凸台阵列和“树形”微流体通道进行PDMS浇筑；所述光催化剂(8)是生长在导电玻璃表面形貌可控的纳米棒阵列薄膜光催化剂。
2.根据权利要求1所述的高效的光催化反应器，其特征在于：所述导电玻璃(9)为FTO导电玻璃。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110614071B (zh) * 2019-10-09 2020-09-01 重庆大学 利用微气泡强化传质的具有多孔泡沫结构的三相微反应器
CN110844966A (zh) * 2019-12-05 2020-02-28 西安交通大学 一种漂浮式模块化太阳能光反应器
CN112426985B (zh) * 2020-10-16 2022-12-23 天津志远腾飞技术检测有限公司 一种用于光催化的实验器具
CN113058667B (zh) * 2021-03-18 2022-05-17 齐鲁工业大学 一种人工类囊体微流控芯片及其制备方法与应用
CN114505028A (zh) * 2022-02-16 2022-05-17 佛山仙湖实验室 多孔型热反应器及一体化抛物槽式太阳能热化学反应装置
CN115634705B (zh) * 2022-10-25 2024-01-30 重庆大学 一种同时具有内部电场和全光谱吸收特性的核壳异质结

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202898013U (zh) * 2012-11-12 2013-04-24 浙江大学 一种层叠式微凸台阵列型重整制氢微反应器
CN103199294A (zh) * 2013-03-15 2013-07-10 华东理工大学 基于微流体的自呼吸式光催化无膜燃料电池
CN106311110A (zh) * 2016-09-23 2017-01-11 中国科学院上海高等研究院 具有分形结构的微通道板、光催化反应器及其应用
CN106486687A (zh) * 2016-11-21 2017-03-08 重庆大学 光催化产过氧化氢与光催化燃料电池耦合系统

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014097485A (ja) * 2012-10-18 2014-05-29 Enplas Corp 液体取扱装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202898013U (zh) * 2012-11-12 2013-04-24 浙江大学 一种层叠式微凸台阵列型重整制氢微反应器
CN103199294A (zh) * 2013-03-15 2013-07-10 华东理工大学 基于微流体的自呼吸式光催化无膜燃料电池
CN106311110A (zh) * 2016-09-23 2017-01-11 中国科学院上海高等研究院 具有分形结构的微通道板、光催化反应器及其应用
CN106486687A (zh) * 2016-11-21 2017-03-08 重庆大学 光催化产过氧化氢与光催化燃料电池耦合系统

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