CN202921295U - 光子晶体光纤及应用它的表面等离子体光催化反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光子晶体光纤及应用它的表面等离子体光催化反应装置，所述光子晶体光纤的纤芯具有若干空气孔，通过对光子晶体光纤的空气孔进行选择性填充的方法在部分所述空气孔填充表面等离子体光催化剂，所述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。与现有技术相比，本实用新型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，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以及激光能量的利用率。

Description

光子晶体光纤及应用它的表面等离子体光催化反应装置

技术领域

本实用新型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。 

实用新型内容

本实用新型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。 

本实用新型是这样实现的，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为银或者氯化银或者溴化银或者碘化银或者二氧化钛。 

本实用新型所要解决的第二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，本实用新型的有益效果是：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为本实用新型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为本实用新型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

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。 

在本实用新型实施例中，通过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，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，有效提高了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。 

如图1所示为本实用新型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所示为本实用新型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。 

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1、中性滤光片2、真空气室3、光催化反应产物收集装置4、激光功率检测装置5和/或气相色谱仪6；所述真空气室包括依次摆放的聚焦显微镜32、光子晶体光纤31和固定光子晶体光纤两端的V-型槽光纤夹具33；所述真空气室3内的光子晶体光纤31置于V-型槽光纤夹具33上，所述激光功率检测装置5和气相色谱仪6置于光催化反应产物收集装置4后端。 

结合图1和图2，本实用新型实施例中，使用基于光子晶体光纤的表面等离子体光催化反应装置前，先要对光子晶体光纤31的空气孔进行选择性填充，其填充方法包括下述步骤： 

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312进行放电，使尺寸较小的一部分空气孔312塌陷并封闭，尺寸较大的另一部分空气孔312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312中。 

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。 

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。 

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31的纤芯保持开放的空气孔312中； 

步骤C2，对步骤C1得到的光子晶体光纤31烘干处理，使光催化剂均匀附着在纤芯空气孔312内壁上。 

所述步骤C2中光子晶体光纤31的烘干处理温度为60-80℃。 

本实用新型实施例中，进行光催化降解有机污染气体时，将气体反应物7（如： 甲醛、丙酮、三氯乙烯等）载入真空气室3，由固体激光器1产生的激光8用中性滤光片2控制功率，然后再经过聚焦显微物镜32耦合进光子晶体光纤31，光子晶体光纤31两端用V-型槽夹具33固定。光子晶体光纤31与真空气室3的连接处用聚四氟乙烯密封圈密封，保证真空气室3的密闭性。光子晶体光纤31一端作为气体反应物7和激光8的输入端，另一端作为光催化反应产物的收集端和激光功率的检测端。为保证气体反应物7的充分输运，拟采用端面输运和侧面输运结合的方式，用飞秒激光微加工系统在光子晶体光纤31的侧面制作多入口的微通道311与纤芯连通，通过选择匹配的聚焦显微物镜32实现激光8与光子晶体光纤31的高耦合效率并保证气体反应物7的充分输运。采用气相色谱仪6对催化产物进行分析，检测反应物的降解率，结合反应器有效容积和光催化剂的用量，分析以μmol/h·g_cat为单位的光催化产物产量。采用激光功率检测装置5测量光纤输入／输出端的功率，定量分析光催化的光量子效率。通过改变光功率、光辐照时间、光纤长度、气体流量等条件，研究光催化性能的影响。 

上述基于光子晶体光纤的表面等离子体光催化反应装置可以扩充为多个光子晶体光纤31光纤束并联的光催化反应模式的装置，从而可大大提高光催化处理的容量和速度。 

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种光子晶体光纤，其特征在于，所述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。 

2.如权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述表面等离子体光催化剂为银或者氯化银或者溴化银或者碘化银或者二氧化钛。 

3.一种基于光子晶体光纤的表面等离子体光催化反应装置，其特征在于，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、如权利要求1或2所述的光子晶体光纤和固定光子晶体光纤的V-型槽光纤夹具。 

4.如权利要求3所述的基于光子晶体光纤的表面等离子体光催化反应装置，其特征在于，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。 

5.如权利要求3所述的基于光子晶体光纤的表面等离子体光催化反应装置，其特征在于，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。 

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