CN109387495A - 一种双光源光催化反应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种双光源光催化反应装置，包括第一光源、第二光源、第一透镜、第二透镜、第三透镜、光栅、反射镜面、单色仪、光电探测器以及主机；第一光源发出的光经过第一透镜聚光发射第一光线，第二光源发出的光通过调节光栅宽度及不同波长滤光片达到一个可调控变功率光源，经过第二透镜聚焦发射第二光线，第一光线和第二光线通过反射镜面合成一束光源，照射到样品池中；单色仪和光电探测器相连，单色仪与样品池之间设置第三透镜，光电探测器与主机相连，通过单色仪和光电探测器测定不同波长、强度，得到体系的发射光谱及荧光光谱由主机显示。本发明通过固定第一光源的强度、改变第二光源强度，通过对可测量的表观数据进行拟合得到更多的动力学参数。

Description

一种双光源光催化反应装置
技术领域
本发明属于光催化技术领域，特别是涉及一种双光源光催化反应装置。
背景技术
工业生产中，百分之八十以上的反应过程需要催化剂。因此，高效、专属的催化剂研究与设计至关重要。正如催化大师Avellino Corma所说，催化研究可以分为三个层次：理解—设计—应用。只有理解了一个催化过程的机理，才能在此基础上进行催化剂的设计，最终实现应用。
同一种材料同时具有荧光和光催化性质，会引起两种可能的结果：1、荧光和光催化两种作用相互竞争，由于荧光发光效率往往较高，有的材料的荧光量子产率甚至可以超过90%，因此催化活性会被降低接近两个数量级；如果考虑到杂质能级对非辐射跃迁的影响，催化活性会被降低的更多；这可以理解为，基体吸收的总能量（E t ）中大部分用于发光，极少用于催化。2、荧光和光催化两种作用相互协同；这种情况下，部分用于荧光发射的能量以非辐射的形式传递给表面吸附的有机分子，并且活化该分子；如果这种活化出现在催化过程中的慢速步骤中，就可能大大加快对这种分子的催化速率。由于对被催化分子传递能量是建立在光谱匹配的基础上。如果某分子不能接受这种非辐射能量传递，就不会被活化，其降解速度就会非常慢，由此会产生选择性催化。
上述选择性催化要求非辐射跃迁和光催化的协同，因此其本质是研究能量在不同形式能量间的分配机理。设材料吸收光能总量为E t ，这些光能主要用于三个方向：荧光发射（E pl ）、热损耗（E hot ）和光催化（E cat ）。当把样品放入含有被催化物质的溶液中，样品表面的掺杂离子吸附被催化物质之后，如果两者之间存在非辐射能量传递（E act ），我们初步推导出如下公式：
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（注：A、B为常数，τ为荧光寿命，λ em 为发射波长，λ ex 为激发波长，η 1 、η 2 为吸附有机物前后荧光量子效率。k c 为表观催化速率常数，k 2 为掺杂离子活化有机分子速率常数，k U 为第二光源与荧光强度关系系数，C Ln * 1 为可以活化有机分子的掺杂离子浓度，k 4 为催化剂对非活化分子的催化速率常数）。
在这个复杂的催化体系中，至少存在三种激发过程：a.基质材料吸收紫外可见光被激发；b.掺杂离子吸收能量被激发；c.吸附的有机分子吸收非辐射跃迁被激发。而通过紫外可见光谱检查有机物浓度的方法只能给出总的反应速度，难以给出催化过程的细节信息；此细节信息包括：非辐射跃迁传递模式、用于进行非辐射能量传递的掺杂离子百分比、对活化分子的催化反应速率常数k 3 和对非活化分子的催化速率常数k 4 ，这些细节信息都是直接使用现有实验测量设备及现有技术，难以分析出得出的更多的参数。在现有实验测量设备及现有技术中，只有一个光源，只仅限于测试体系的发射光谱，通过发射光谱来判断光催化信息；这样只能给出具体的光催化结果，不能判断并测试出催化过程中其他信息。
发明内容
本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供一种荧光、光催化共同作用下测试光催化活性的双光源光催化反应装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
本发明一种双光源光催化反应装置，其特征在于：包括第一光源、第二光源、第一透镜、第二透镜、第三透镜、光栅、反射镜面、单色仪、光电探测器以及主机；第一光源发出的光经过第一透镜聚光发射第一光线，第二光源发出的光通过调节光栅的宽度及不同波长滤光片达到一个可调控变功率光源，经过第二透镜聚焦发射第二光线，第一光线和第二光线通过反射镜面合成一束光源，照射到样品池中；单色仪和光电探测器相连，单色仪与样品池之间设置第三透镜，光电探测器与主机相连，通过单色仪和光电探测器测定不同波长、强度，得到体系的发射光谱及荧光光谱通过主机进行显示。
作为本发明的一种优选方案，所述的第一光源、第二光源均为可调光源，所述的第一光源、第二光源的两端均分别连接有第一电源、第二电源。
作为本发明的另一种优选方案，所述的第一电源为固定电源，所述的第二电源包括有可调变压器，所述的可调变压器的两端分别与第二光源、主机相连，所述的第二光源与主机相连。
作为本发明的另一种优选方案，所述的第一透镜、第二透镜、第三透镜均为凸透镜。
作为本发明的另一种优选方案，所述的光栅采用不同狭缝宽度的、强度可调控的大功率光栅。
作为本发明的另一种优选方案，所述的滤光片为可以透过可见光、紫外光、红外光等不同波长的滤光片。
作为本发明的另一种优选方案，在所述的第三透镜与样品池之间设置有能让光线穿过的夹缝。
作为本发明的另一种优选方案，所述的单色仪采用双光栅单色仪或者单光栅单色仪。
作为本发明的另一种优选方案，所述的单色仪采用市场常见的TN3000系列单色仪或者SSM系列单色仪。
本发明通过配置第一光源、第二光源联合测试，让第一光源的光透射，让第二光源的光反射，把第一光源和第二光源的光合并成一束，可提供光反应中更多的催化信息；本发明通过第二光源强度、波长等改变，调控入射光强度及波长，改变光电流强度，可提供光反应中更多的催化信息。
本发明的有益效果。
1、本发明所提供的一种双光源光催化反应装置，通过固定第一光源的强度、改变第二光源强度，通过对可测量的表观数据进行拟合得到更多的动力学参数；通过施加第二光源微扰，可激发催化剂表面活性，以此产生荧光性能，确定催化活性点。可以判断非辐射跃迁传递模式、可以得到用于进行非辐射能量传递的掺杂离子百分比、可以测试出对活化分子的催化反应速率常数k 3 和对非活化分子的催化速率常数k 4 ，这些都是使用现有实验测量设备及现有技术难以直接测量分析得出的参数。
2、本发明的目的及有益效果在于能量在体系中的分配机理研究和催化反应动力学的研究；这一研究将较为系统的解释催化和荧光的竞争/协同关系，这就可以实现在同一活性中心具有多种催化功能，为设计高性能高选择性催化体系建立前期理论基础，也将为材料的光催化机理、光电催化机理、能量转换机理等研究提供理论和测试方法的借鉴。
附图说明
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，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方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明一种双光源光催化反应装置的整体结构示意图。
图2是本发明一种双光源光催化反应装置的单色仪的光路原理图。
图中标记说明：1为第一电源、2为第一光源、3为第一透镜、4为光栅、5为第二光源、6为反射镜面、7为第二电源、8为样品池、9为主机、10为夹缝、11为第三透镜、12为单色仪、13为光电探测器、14为第二透镜。
具体实施方式
结合附图1所示，本发明一种双光源光催化反应装置，其特征在于：包括第一光源1、第二光源2、第一透镜3、第二透镜14、第三透镜11、光栅4、反射镜面6、单色仪12、光电探测器13以及主机9；第一光源1发出的光经过第一透镜3聚光发射第一光线，第二光源2发出的光通过调节光栅4的宽度及不同波长滤光片达到一个可调控变功率光源，经过第二透镜14聚焦发射第二光线，第一光线和第二光线通过反射镜面6合成一束光源，照射到样品池8中；单色仪12和光电探测器13相连，单色仪12与样品池8之间设置第三透镜11，光电探测器13与主机9相连，通过单色仪12和光电探测器13测定不同波长、强度，得到体系的发射光谱及荧光光谱通过主机9进行显示。
作为本发明的一种优选方案，所述的第一光源2、第二光源5均为可调光源，所述的第一光源2、第二光源5的两端均分别连接有第一电源1、第二电源2。
作为本发明的另一种优选方案，所述的第一电源1为固定电源，所述的第二电源2包括有可调变压器，所述的可调变压器的两端分别与第二光源5、主机9相连，所述的第二光源5与主机9相连；所述的可调变压器可控电压大小，从而改变第二光源5强度；通过改变第二光源5强度以及通过改变光栅4大小来实现不同光催化效果；也可通过控制电压方向及大小来实现不同光催化效果。
作为本发明的另一种优选方案，所述的第一透镜3、第二透镜14、第三透镜11均为凸透镜。
作为本发明的另一种优选方案，所述的光栅4采用不同狭缝宽度的、强度可调控的大功率光栅。
作为本发明的另一种优选方案，所述的滤光片为可以透过可见光、紫外光、红外光等不同波长的滤光片。
作为本发明的另一种优选方案，在所述的第三透镜11与样品池8之间设置有能让光线穿过的夹缝10。
作为本发明的另一种优选方案，所述的单色仪12采用双光栅单色仪或者单光栅单色仪。
作为本发明的另一种优选方案，所述的单色仪12采用市场常见的TN3000系列单色仪或者SSM系列单色仪。
本发明通过配置第一光源2、第二光源5联合测试，让第一光源2的光透射，让第二光源5的光反射，把第一光源2和第二光源5的光合并成一束，可提供光反应中更多的催化信息；本发明通过第二光源5强度、波长等改变，调控入射光强度及波长，改变光电流强度，可提供光反应中更多的催化信息。
本发明双光源光催化反应装置利用荧光和光催化协同作用的原理，在不同电压下，控制反应时间，反应电压强度，实现荧光和光催化协同作用机理研究，为催化材料的光催化机理、光电催化机理、能量转换机理等研究提供理论和测试方法的借鉴。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不局限于说明书和实施方式中所列的发明内容。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种双光源光催化反应装置，其特征在于：包括第一光源（2）、第二光源（5）、第一透镜（3）、第二透镜（14）、第三透镜（11）、光栅（4）、反射镜面（6）、单色仪（12）、光电探测器（13）以及主机（9）；第一光源（2）发出的光经过第一透镜（3）聚光发射第一光线，第二光源（5）发出的光通过调节光栅（4）的宽度及不同波长滤光片达到一个可调控变功率光源，经过第二透镜（14）聚焦发射第二光线，第一光线和第二光线通过反射镜面（6）合成一束光源，照射到样品池（8）中；单色仪（12）和光电探测器（13）相连，单色仪（12）与样品池（8）之间设置第三透镜（11），光电探测器（13）与主机（9）相连，通过单色仪（12）和光电探测器（13）测定不同波长、强度，得到体系的发射光谱及荧光光谱通过主机（9）进行显示。
2.根据权利要求1所述的一种双光源光催化反应装置，其特征在于：所述的第一光源（2）、第二光源（5）均为可调光源，所述的第一光源（2）、第二光源（5）的两端均分别连接有第一电源（1）、第二电源（7）。
3.根据权利要求2所述的一种双光源光催化反应装置，其特征在于：所述的第一电源（1）为固定电源，所述的第二电源（7）包括有可调变压器，所述的可调变压器的两端分别与第二光源（5）、主机（9）相连，所述的第二光源（5）与主机（9）相连。
4.根据权利要求1所述的一种双光源光催化反应装置，其特征在于：所述的第一透镜（3）、第二透镜（14）、第三透镜（11）均为凸透镜。
5.根据权利要求1所述的一种双光源光催化反应装置，其特征在于：所述的光栅（4）采用不同狭缝宽度的、强度可调控的大功率光栅。
6.根据权利要求1所述的一种双光源光催化反应装置，其特征在于：在所述的第三透镜（11）与样品池（8）之间设置有能让光线穿过的夹缝（10）。
7.根据权利要求1所述的一种双光源光催化反应装置，其特征在于：所述的单色仪（12）采用双光栅单色仪或者单光栅单色仪。
8.根据权利要求1所述的一种双光源光催化反应装置，其特征在于：所述的单色仪（12）采用市场常见的TN3000系列单色仪或者SSM系列单色仪。
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