WO2012006757A1 - 低碳光化学系统 - Google Patents

Abstract

提供一种低碳光化学系统，包括光聚集器和低碳光化学反应器。光聚集器对日光进行聚集，并将聚集的光传输到低碳光化学反应器进行催化水解制氢、工业废气和含污废水的治理。将折射凸透镜安置在东、西棱镜之间的中央的下方构成光聚集器，其中凸透镜水平设置。也可将反射凹面镜安置在东、西棱镜之间的中央的下方构成光聚集器，凹面镜水平设置。

Description

说 明 书 低碳光化学系统 技术领域 本发明涉及光学技术 ight technology)、电学技术 （Electro technology；)、电子学技术 （Electronics technology)、光化学 (Photochemistry)技术、光纤 (Optical Fiber)技术、治理污染技术、水制氢技术、生物技术等。

低碳光化学也称为绿色光化学、环保光化学、减碳光化学、光合光化学、能源光化学等。

低碳光化学技术将广泛应用于光化学的合成与分解、太阳能利用、光功能材料、光生物化学和环境光化学、材料、生物、 环境保护、能源、有机化合物和药物合成等各个领域。

背景技术 各种物质通常都处于稳定状态，称为基态（ground state)。当物质吸收可见光或紫外线后，将到达一个高 能的和不稳定的状态，称为激发态（excited state) 。

研宄物质中电子跃迁（激发态）的产生、结构、特性及其物理变化和化学变化的科学，称为光化学（Photochemistry) 。 不是任何一种物质随便用光子激发，就能产生激发态的。不同的物质通常吸收不同波长的光。物质产生激发态的机理、激 发态形成所遵循的规律及其相关问题，遵循光化学的选择规则（selection rules) 。

敏化和猝灭是同时发生的；是同一个光物理过程的两个方面，两者不可分割。许多光化学反应不是反应分子直接受到光激 发引起反应，而是光量子首先被作为敏化剂的分子所吸收，然后通过分子间的能量传递或者电子转移，使反应分子发生光化学 反应。光敏能量传递与电子转移反应在光化学合成、光聚合反应、光治疗、太阳能转换中具有重要的位置。

分子吸收光子成为激发态分子，解离（失活）后生成各种自由基、原子等中间体的过程，称为初级光化学反应。

由光照引发自由基后再发生的光化学反应，称为次级光化学反应。

光化学反应第一定律（Grotthus-Drapes走律）： 只有能够被分子吸收的光才能引发光化学反应。因此光化学反应中必须 知道原料分子的显示光谱和光源的能量分布谱线、溶剂和光化学产物的吸收光谱。

研究生物体系或其组成部分吸收光能后所发生的变化以及生物的发光过程的光化学，称为光生物化学。

光合作用是自然界中最重要的光化学反应。它是地球上唯一的大规模地将太阳能转化为化学能并利用太阳能将无机物转化 为有机物同时放出氧气的过程。

光合作用一般是指植物 成细菌）通过光化学作用，从二氧化碳与水域硫化氢），合成出供其生长所需要的碳水化合物 与氧气（或硫）。光合作用产生氧化- -还原反应，使氢给体（H ₂ A)氧化并使二氧化碳还原；其光化学反应式为：

H 2 A + C 0₂→ (C H ₂0) n + A

对于绿色植物和蓝菌，氢给体是水；对于光合作用的细菌，氢给体代表无机硫化氢、有机酸或者其他有机氢给体。

太阳光的光谱主要在 200— 1100纳米范围内。由于大气平流层中的臭氧吸收了短波紫外光，大气水蒸气吸收了长于 1100 纳米的红外光，达到地球表面的太阳光的波长主要在 320— 1100纳米之间。

有机化合物的电子吸收光谱有相当宽的频带吸收。 日光的波长可以与反应物的吸收波长相匹配。 原子力显微镜（AFM)广泛应用于各种材料的纳米加工中。它不受材料种类的限制，分辨率可达到原子水平 C 1纳米）。通 过检测探针与样品间的微小作用力，可以观测原子级乃至上百纳米级 结构特征，能获得被测样品表面形貌的信息。

拆射凸透镜 域反射 面镜）可改变光线传播路径。平行于主光轴入射到折射凸透镜 ·域反射凹面镜）后的光束，将汇聚 于焦点上；斜入射到折射凸透镜（或反射 面镜）后的平行光束，将汇聚于焦平面上形成一个光团。

光纤（Optical Fiber)是光导纤维的简称。一束光进入一根光纤的一端之内时被全反射（Total Internal Reflection, TIR)； 只要光纤曲率不太大，光可以沿着光纤内芯曲线传输。

光线在空气介质 n。中以不同的角度 α 从光纤端面耦合进入纤芯 h ,时， 只有入射角 0；大于临界角 Θ _t时，所对应的光 源入射角 α 以内的光线才能进入光纤，并在光纤内说传输。在光线从空气进入的纤芯交界面处，有

sin a _m I sin ^ , = sin a _m I sin (90°— 0 _t ) = n , / n , (1)

n ,和11；分别是光纤芯和包层的折射率。 由全反射时的 s书in 0 _t == n ₂ / n , ,代入上式，可得

sin a _iai == ( η , ^! --- η i ^!) '"/ η , (2)

当光线从空气进入光纤时， η == 1;则 a „== arcsin ( n , ^! - n ₂ ²) (3)

入射光线的总接收角为 2 a _x。玻璃折射率的数值一般为 1.5，则玻璃一一空气界面的临界角 Φο为

. Sin<Do==l/1.5 == 0.67 , (4)

Φο == 42°

光纤的数值孔径（Numerical Aperture ) NA - ( η Λ… n , ^!) '。；则 sin a _m == NA / n ₀

当 n ,== 1时， a _m == arcsin NA ；数值孔径 NA反映光纤的最大可接收角 α „的大小。

发明内容 本发明任务是：将折射凸透镜或反射 ω面镜（如抛物反光面）等所聚集的日光利用光化学技术进行储存；将 聚集的日光采用光化学技术进行催化水解制氢；将聚集的日光通过光化学技术进行治理环境污染。

定义：能够将太阳能量进行储存、催化水解制氢、治理环境污染的光化学，称为低碳光化学。

定义：具有将不同方向的平行日光聚集于其焦平面的折射凸透镜或者反射凹面镜等组成的系统，称为光聚集器。

定义：通过光聚集器所聚焦的日光，称为聚光。它可以是一种大功率和高效率的光束。

以下所指光纤，也包括光缆。它可以是实心光纤，也可以是空心光纤。

定义： 在大气、液体中的聚光直接与原料分子进行低碳光化学反应，称为低碳直光化学反应系统，简称低碳直光化学。 定义：通过光纤（包括实心光纤和空心光纤等）能够进行弯曲传输的全反射的光束（包括聚光），称为曲光。

. 曲光具有能量损耗低、可绕性好、保密性好等特征；它为低成本处理和低损耗传输日光，提供很好技术支撑。

定义：借助光纤传输的聚光与原料分子进行低碳光化学反应的系统，称为低碳曲光化学反应系统，简称低碳曲光化学。 定义：在物体中的尺寸，纳米尺度是指 0. 1— 100纳米之间的尺寸；小尺度是指微米级 （0. 1— 100微米）尺寸或者比其所 在的物体的尺寸小得多的尺寸范围。大尺度一般是指 100微米以上的尺寸或者与其所在的物体的尺寸基本相同的范围。 说 明 书 与物体中超微颗粒的体积相等的圆球直径，称为该颗粒等同直径。同一种物质或超微颗粒组成的物体具有相同的等同直径。 定义：具有特定化学性质的或者在化学变化中不可再分的最小物质结构颗粒，称为物质最小的物理化学颗粒，简称物粒。 物粒一般通过化学键起相互作用而结合在一起。物粒是多种多样的：原子 金属）、离子 盐类）、分子 水）等。 定义:两个或两个以上的物粒通过它们相互作用力能够凝聚在一起的其等同直径基本在纳米尺度内的物质超微颗粒或颗粒 团簇，称为物体纳米尺度颗粒，简称纳粒。此处的超微颗粒是指具有一定功能的分子团;颗粒团簇一般是指以化学键以外的分 子间的相互作用力而连接的具有特定功能的多个物粒所组成的聚集体或组装体。即纳粒是由多个分子、离子或原子等组成的聚 集体 陶瓷、有机分子、橡胶等）或组装体。组装体如脱氧核糖核酸 ΦΝΑ)、分子团、原子的激发态、过渡态、吸附态等。

定义：在物体中物粒的重心或物粒的物理拓扑结构的等同点，称为物粒的结点，简称为物点。

定义：将空间点阵中的构点用直线段连接所形成的有规则地周期性重复排列的各种平面，称为纳面。

定义：某些物体中由相邻纳面组成的具有周期性排列的确定的立体网格，称为序格。序格实质是该物体中的小空间点阵。 定义：物体或纳粒中的相邻两个物粒的物点之间的距离，或者相邻两个纳粒界面之间的相邻两个物粒的物点之间的距离， 都称为该两个物粒之间的本体距离，简称物粒本体距离。它是某种物质的物粒所占有空间的直径；表示其占有的空间范围。

定义:没有任何一维大尺度线条上所有的物粒本体距离都在纳米尺度内的物体，称为矿体。该线条可以为直线段或曲线段。 定义：至^有一维大尺度线条上所有的物粒本体距离都在纳米尺度内的物体，称为簇体。该线条可以为直线段或曲线段。 簇体与矿体只是它们空间点阵结构中的物粒排列之间的缺陷数量和分布的不同；簇体不是固体之外的 <第三态固体材料"。 定义：至少有一维线条上所有的物粒本体距离都在纳米尺度内的物体颗粒，称为簇粒。该线条可以为直线段或曲线段。 定义：当且仅当三维线性无关的小尺度空间或物体颗粒上所有的物粒本体距离都在纳米尺度内的小物体，称为簇点。簇点 由物粒泡括离子、原子等）或者纳粒（包括原子团簇、超分子等）组成。无数个簇点的集合物，称为簇体粉。它是零维簇体。

定义：序格是由纳胞周期性重复排列所形成的长程有序的簇体，称为单纯长程有序簇体，简称单序体。

定义：序格是由纳胞周期性重复排列所形成的短程有序的簇粒或小簇体，称为短程有序的簇粒，简称序粒。

定义： 由许多无规则地杂乱排列的序粒组成的簇体，称为多序粒的簇体，简称多序体。单序体和多序体，统称序体。 定义： 由许多无规则地杂乱排列的簇粒组成的无序的簇体，称为非序的簇体，简称非序体。

定义：研究和利用地球表面（包括陆地、海洋、大气）每时每刻发生的光化学反应，称为环境光化学（或低碳光化学） 。 ι、光聚集器将其采光面（又称为采光面积）上的日光，在其主光轴的焦点上形成焦斑（又称为焦面面积）。它能将大采 光面上的日光，聚集于非常小的焦斑上。光聚集器的聚焦比 称为聚光比）是采光面积与焦面面积之比。它表示光聚集器将 采光面上的日光，经过聚焦作用，在主光轴的焦面上形成的焦斑能量密度可能达到的密度有多大；它反映聚光程度。这个倍数 对于光聚集器来说，一般要求尽可能地大。

由日光跟踪器或改变早晨与傍晚日光入射角的棱镜（图' 10)， 以及光聚集器等组成的系统，称为光接收器（图 1) 。 现有的光化学反应一般采用人工光源。太阳能密度很低，现有技术不能付之实用。即商用光化学中还没有采用日光进行光 化学反应。同时太阳光中的红外辐射几乎占有 50%;如何消除其热对低碳光化学的影响，光化学技术也尚未解决。

1. 1 光聚集器采用能够改变低角度的太阳高度角（早晨或傍晚时）的棱镜和聚集光线的凸透镜时，该凸透镜位于东、西 棱镜之间的中央的下方（图 1)。这个水平设置的凸透镜，焦点位于凸透镜的下方；传输光纤的始端安装在该凸透镜焦点上， 并使该聚光能够进入光纤内全反射。该焦点也可以位于低碳聚光化学的光隔离器上，并使该聚光能够通过光隔离器进入低碳聚 光化学反应器内。由聚光能够耦合进入传输光纤进行全反射的最大入射角和传输光纤的数值孔径 NA，对凸透镜确定最小的太阳 高度角 H_a 。同样由聚光能够通过光隔离器进入低碳聚光化学内；对凸透镜确定最小的太阳高度角 H_a 。

太阳与地面上某地的相对位 1，跟太阳高度角 H和方位角 Z有关。其数值可以由（5)和（6)公式计算。

sinH =sin 5 sin Φ + cos δ cos Φ c说os ω t (5)

sinZ = - sin ω t cos δ I cos H (6)

式中 Φ -… --某地的地理纬度； 书

ω…- 地球绕轴旋转的角速度，近似为常数 15° /小时；

t 平均太阳时，中午以前为负； 中午以后为正，

t =t_st - (L_s,-L_los)/15 - 12；其中 t_st为时区标准时间， L_st为标准时根据的经度； L_te为某地的经度。 δ……太阳赤纬角，可用近似公式

δ = 23. 5° sin (360° (284 + No) / 365 ) ) (7)

上式中 No —年中的第几天。

方位角 Z:正南方向为 0;东南方为负，西南方为正。

最简单的折射棱镜（S5),棱镜的角是 45°— 90° --45°。光线正入射到棱镜的一个较短的面，以 45°的入射角投射到 斜面上。这个角大于玻璃一-空气的临界角 42° ,光线作全反射，在偏转 90°后，光线从第二个较短的面射出。

光接收器中棱镜的两个折射面的夹角为 Θ (棱镜角）， 出射光与入射光的偏转角为 _ε，从折射率 rv«i的空气介质，直 线射入折射率为 Π g的棱镜。由折射定律，可得

Γ1棱 / Π₀ == Sin[( 9 + E ) / 2 ]/ Sin ( 0 / 2) (8)

n₈ ¾ Sin[( 8 + I 2 ]/ Sin ( Θ / 2 ) (9)

可以选择棱镜角 e ,使早晨与傍晚的太阳高度角在某个数值时 （一般可选择 20° --30° ) ,经棱镜折射后的太阳光，再经 过凸透镜折射之后，能聚集于位于其焦点的传输光纤的始端内，并且满足入射光线在传输光纤的总接收角尺寸内。

设光接收器中棱镜的两个折射面的夹角为 e，出射光与入射光的偏转角为 ε。光线从折射率 r «i的空气介质，直线射 入折射率为 η梭的棱镜。由（8)和（9)公式，可以选择 9 ,使太阳高度角较小（早晨或傍晚）时，经棱镜折射后的等同的 太阳高度角 Η„不小于凸透镜的最小太阳高度角 H_a;则太阳光在白天的大部分时间段内，可聚集于光纤的最大可接收角 a _m 范围内。设计时最小太阳高度角可以根据当地辐射统计资料来确定。一般可在 20°至 30°之间选取。 说 明 书 光接收器的棱镜和透镜的采光面积 A可以根据使用的需要，按照低碳光化学系统的额定功率为 P，用（10)式确定。其中 太阳光强度 I可取 0.3— 0.5 k W/m'，光的吸收效率 η可取 0.4~0.6之间。则采光面积 Α为：

A-P/ ( I n ) (10)

. 凸透镜两个表面的曲率半径分别为 R ₂，表面到其曲率中心的方向与折射光方向相同时为正，

凸透镜制造者方程： 1 / f == - - 1) (1 / R , - - 1 / R ₂) 其中 f为焦距； n为凸透镜的折射率。 根据经验，透镜的焦距 f一般情况下：

当 A=l.5 ra'时，选 f == 0.6— 0.65m；

当 A=2.0 m'时，选 f == 0.7— 0.75m；

当 A=2.5 tf时，选 f 0.8m ;

太阳光从折射率近似为 1的空气中，射到折射率为 II的光纤，如果入射角 9大于临界角 Φο时，就会发生全反射。

临界角 Φο == arcsin (1/ η) (11)

棱镜表面还可以涂上一层 '无反射"薄膜，可减少光反射损失。将折射率小于玻璃的材料淀积在玻璃表面上，形成硬而透 明的薄层或薄膜。采用折射率 1.38的氟化镁（MgF₂)涂膜，制成的 "无反射"薄膜的厚度应为 ΙθΛ π. 。

1.2 光聚集器也可以采用能够改变低角度的太阳高度角（早晨或傍晚时）的棱镜和反射凹面镜（图 U) ,该凹面镜安置 在东、西棱镜之间的中央的下方（®2)。 这个水平设置的凹面镜，焦点在凹面镜的上方；传输光纤的始端安装在该凹面镜焦 点上，并使该聚光能够进入光纤内全反射。由聚光能够耦合进入传输光纤进行全反射的最大入射角和传输光纤的数值孔径 ΝΑ, 对凹面镜确定最小太阳高度角 Η_Β。

由 （8)和 Θ)公式，选择棱镜的两个折射面的夹角 9，使太阳高度角较小 （早晨或傍晚）时，经棱镜折射后的太阳高度 角 Η棱不小于凹面镜的最小太阳高度角 Η_Β；则曰光在白天的大部分时间段，可聚集于传输光纤的最大可接收角 α max范围内。

光聚集器设计时所需要的最小太阳高度角 H，可以根据当地辐射统计资料来确定。一般可以在 20°至 30°之间选取。 采光面积 A可以根据使用的需要，按照低碳光化学系统的额定功率 P，用 CIO)式确定。其中太阳光强度 I可取 0.3— 0.5 k W/m'，光的吸收效率 η ¾0.4— 0.6之间。

这种光聚集器中除了反射凹面镜之外的其他部分，与折射凸透镜的光聚集器基本相同。

因为在入射日光所通过的区域内设置低碳光化学反应器，会挡掉了一部分入射日光；所以可以利用反射镜把聚光反射到位 于反射镜旁边的光化学反应器（图 12)或者反射后穿过凹面镜上的孔洞出射（图 13)到光化学反应器。

1.3 光聚集器还可以采用一个直径一般为 0.4米以上的凸透镜 ®者涂有银或铝的反射凹面镜），把日光的平行光线折 射 者反射）后，聚焦到一个经过精密加工的透明锥体中，该锥体里含有对光线起折射作用的油。油是一种使光线高度聚集 的物质。这个锥体把日光聚集起来后，可使焦点的直径从 1厘米縮小到 1毫米。这种光聚集器中除了透明锥体之外的其他部分， 与折射凸透镜的光聚集器基本相同。 1.4 光接收器可以采用日光跟踪器使折射凸透镜或者反射凹面镜对准太阳。 日光跟踪器上的每面凸透镜或者凹面镜，可 以用一台电脑控制两台马达与太阳同步转动，当太阳被云彩遮住时，日光跟踪器就靠一个钟表装置来带动。因此只要太阳一露 出云彩，凸透镜或者凹面镜立即能对着太阳。这样每面凸透镜或者凹面镜在白天随着日光跟踪器都可以对准太阳。 日落之后， 电脑又将跟踪器转向东方。这种光聚集器除了日光跟踪器之外的其他部分，与折射凸透镜 包括棱镜 )的光聚集器基本相同。

1. 5 光聚集器的折射凸透镜或者反射凹面镜的焦点上还可以设置光隔离器（图 8)。通过光隔离器，防止聚光反射。 低碳聚光化学耦合器或者光纤耦合器（图 6、图 7) ,将光线耦合到低碳聚光化学反应物或者连接到光纤，进行光线的分 离或合并；将一个或多个输入光波分配给多个或一个线路输出；由耦合器将日光递送到低碳聚光化学反应物或者连接到光纤内 进行传输。光纤耦合器形式主要有 T型耦合器（图 6说)、星型耦合器（图 7)和方向稱合器。方向稱合器的作用是将光功率根 据具体要求，发送到某一方向的光纤中；它可分为耦合波导型、电光效应型、磁光效应型和声光效应型等。

光纤耦合器是将光信号进行分路、合路、插入、分配的光学器件书，按器件结构可分为四种：微光元件型、光纤成形型、光 纤对接耦合型以及平面波导型。微光元件型耦合器大多利用自聚焦透镜，将聚光变成平行光线的特性而实现两束光线的耦合， 光纤成形型耦合器最典型的形式是星型耦合器；它可以是由两根以上（1多可以到 100多根）的光纤局部加热熔合而成。这种 光纤耦合器在制作上比较容易，价格比较便宜，光纤和元件为整体，可以耐受机械振动和温度变化。

光开关的功能是转换光路，实现光波的交换。

1.6 日光经过光聚集器的折射凸透镜或者反射凹面镜（早晨或傍晚的日光事先经过折射棱镜）后，送到光纤内进行传输； 在传输一定距离之后，到达传输光纤的终端，最后将聚光递送到低碳聚光化学反应物（图 3) 。

1. 日光经过光聚集器的折射凸透镜或者反射凹面镜（早晨或傍晚的日光还事先经过折射棱镜)后，到达光隔离器，再 将聚光送到光纤内进行传输后递送到低碳聚光化学反应物；或者将聚光直接递送到低碳聚光化学反应物（图 4) 。

1.8 日光经过光聚集器的折射凸透镜或者反射凹面镜（早晨或傍晚的日光事先经过折射棱镜）后，到达光隔离器，再由光 纤耦合器将聚光送到传输光纤内进行传输；传输一定距离之后，从传输光纤的终端递送到低碳聚光化学反应物（图 5) 。

1.9在光隔离器内壁上也可以涂一层荧光材料或磷光剂。当荧光材料受到日光中含有的红外线照射时，会发出可见光。采 用不同性质的荧光材料，可制成能发出任何所需可见光的光源。这种可见光可以补充原来可见光的强度。

2、 传输光纤是低碳光化学系统中光线传输的介质。光纤是由高折射率的光纤芯和低折射率的包层以及护套构成。按制造 光纤材料的不同，光纤可分为石英光纤、多组分玻璃光纤、全塑料光纤和掺杂光纤等。

光线从光纤的芯线射向包层时，能发生全反射，经反复的全反射可以将光线从一端传输到另一端。光纤柔软，弯曲了也能 传输光线。在传输光纤中，还需要应用一些光无源器件，如耦合器、光开关等。

光是一种电磁波。它的电场和磁场随时间不断地变化，总是相互正交传输。当电场 E施加到介质材料时，会引起其原子和 分子的极化。在强电场作用下，极化 P和 E的关系是非线性的。当光强达到 lOOOkW/ctf时，这种非线性必须考虑。

小能量光线的传输可以使用普通的石英玻璃光纤，也称为实心光纤。高能量光线的传输就要使用空心光纤。 说 明 书 现有的传输光纤绝大部分应用于信息传输；它传输电磁波的波长是 850纳米短波长的波段， 以及 1310纳米、 1550纳米长 波长的波段。这些波段不属于可见光范畴。现有的光纤是实心光纤，传输的能量并不大。

• 2. 1实心光纤一般采用石英光纤；它不仅具有低损耗，还有好的弯曲特性、耐热性、化学稳定性等特点；可以用来传输可 见光、红外线与紫外线。传输可见光的实心光纤的直径不能太细， 因此一般采用多模光纤。

2.2 空心光纤是以细管状空气（或气体）为纤芯，采用折射率小于 1的材料（包括金属、聚合物、玻璃、晶体等）为外 部管壁。其传光原理与阶梯折射率型的实心光纤相同，光线在管壁上全反射。光线在这个细管内壁上边反射边传播。

空心光纤的空心内径可以在 1毫米以上；并在端部没有反射损失。空心光纤的内部管壁，可以涂覆非常薄的吸收率非常低 的材料；则曲光的传输几乎没有吸收损失。理论上气体纤芯可传输任何波长的光线。

3、将折射凸透镜或反射凹面镜（如抛物反光面）等所聚集的日光，引入低碳光化学反应器，使大功率和高效率的聚光转 变成化学能或者其他的能量进行储存；按聚光引入低碳光化学反应器的方式，可分为直接引入系统和光纤引入系统两种。 .

3. 1低碳直光化学系统主要由光接收器 1)和低碳光化学反应器（S9)二个部分组成。光接收器的光聚集器 1) 利用凸透镜或凹面镜等，将太阳等光源的光线，聚焦于低碳光化学反应器内；将光能转换成化学能储存，或转化为其他能量。

光接收器是由具有改变光线方向的棱镜（图 1)或者日光跟踪器、聚集光线的凸透镜或者凹面镜等组成。凸透镜或者凹面 镜将光源（如太阳）的光^聚焦后，直接或者通过光隔离器，将聚光耦合到低碳光化学反应器。

低碳光化学反应器是一种由符合反应底物吸收光谱在可见光区域（包括紫外线）内并发生光化学反应的装置。

' 低碳光化学反应器由聚光、透镜、滤光片、石英反应池、恒温装置和功率计等几部分组成（图 9)。聚光通过石英透镜变 成平行光，再经过滤光片，将与反应物的吸收波长相匹配的聚光变为某个狭窄波段的光，通过垂直于光束的石英窗照射在反应 混合物上，未被反应体系吸收的聚光透射到功率计 （一种光强检测仪器），由功率计测出透射光的强度。聚光化学反应容易控 制；通过选择适当的日光的波长可提高反应的选择性；通过光的强度可控制反应速率。

3.2低碳曲光化学系统主要由光接收器、传输光纤和低碳光化学反应器三个部分 （S3)组成。日光经过光接收器的折射 凸透镜或者反射凹面镜后，再由光纤耦合器连接到传输光纤的始端内进行聚光的传输；将聚光送到低碳光化学反应器。低碳光 化学反应器将日光的能量转化为化学能。利用凸透镜或四面镜聚集的日光通过光纤进行传输,引入工厂使光能转化为其他能量。

低碳曲光化学系统中光接 器，可采用棱镜和凸透镜系统（S1) ;或采用棱镜（S10)和凹面镜 Oil )系统 2) 或者采用日光跟踪器和凸透镜等；将光线聚焦于传输光纤的始端，通过传输光纤将聚光耦合到低碳光化学反应器内（图 3) 。

4 贮氢合金（hydrogen storage alloy)序体是利用金属（或合金）序体与氢形成氢化物而将氢贮存起来。 .

4. 1利用贮氢合金序体在吸氢时放热，在放氢时吸热；可制造制冷或采暖设备。例如镧镍贮氢合金序体在吸氢时放出的热 能为 250kjAg以上，镁序体在吸氢时放出的热量高达 3500k j/kg以上。将工厂低温排放的热量或太阳能作用于贮氢序体上； 其吸热时放出的氢，储存在氢气瓶里；而当人们需要热水时，只要给氢气瓶加一点压力，贮氢序体就会进入放热状态，从而将 热交换管中的水加热，供人们使用。在吸氢放热和吸热放氢的过程中，氢气没有消耗：它只是与贮氢序体一起组成了贮热器。 4.2利用贮氢合金序体在放氢时产生的压力，通过适当的动力转换装置，可转变成有用的机械能。例如向装有贮氢序体填 充层的压缩机输入低压氢气时，贮氢序体吸氢放热，将氢存储起来，放出的热量用通入管子的冷水吸收；然后将另外系统加热 的水通入贮氢序体中的管子，贮氢序体便吸热并放出高压氢气，可用作驱动力。这种压缩机没有复杂的机械零件，结构简单， 成本低，不产生噪声，并能产生相当大的驱动力。

5、太阳能的光化学储存体系：化合物 A能吸收聚光而转变成具有高内能的化合物 B;若需要供热时可借助催化剂的作用将 储存在化合物 B中的化学能以热的形式释放出来，同时化合物 B转化为化合物 A (图 14) 。

储存光能的光化学反应可分为两类：双分子光加成反应和单分子光异构化反应。

5. 1蒽和萘的光加成反应都生成具有较高内能的产说物；太阳能可以借此加成过程以化学能的形式被储存于光反应产物中。 但它们的光反应量子产率都不高，一般为 0.26—0.50。

5.2光异构化反应包括几何异构化反应（即顺 --反异构化反应）书和价键异构化反应两种。

二苯乙烯类或者偶氮类化合物在聚光下发生几何异构化反应，随敏化剂种类不同，达到光稳态时的顺式二苯乙烯和反式二 苯乙烯的比例会有明显的改变。它们的储能能力相对比较低，约为 40— 50 kj/mol 。

苯或者吡啶及其衍生物在聚光作用下发生价键异构化反应。该反应可以认为是分子内的双键加成反应。价键异构化反应一 般是通过光照引起分子内双键加成反应形成笼状化合物或张力化合物来达到储能的目的。

在光诱导价键异构化反应中，降冰片二烯（BD)和四环垸（P)间的异构化反应是最典型的储能体系。其中原料降冰片二 烯容易制备、成本低廉;产物四环垸稳定性好；二者的价键异构化无副作用。量子产率高，储能能力大可达到 1212.2 kj/mol) 有利于构成流动相的循环体系，又易于控制。许多光敏剂都可以使降冰片二烯发生价键异构化反应生成四环垸，也有许多催化 剂能有效地促使四环垸逆异构化返回生成降冰片二烯而释放热能。

太阳光的辐射光谱主要大于 300纳米，而降冰片二烯的吸收却在 230纳米左右，无法直接吸收可见光。解决这个矛盾的方 法有两种：一是在基本片二烯上引入生色团，使生成降冰片二烯衍生物的吸收光谱红移；二是使用敏化剂，利用能吸收日光的 敏化剂使降冰片二烯发生敏化光异构化反应。

利用氧化锌 （ZnO)、硫化镉 (CdS)、硫化锌（ZnS)和鍺 Ce)等半导体材料作光敏剂可以使降冰片二烯向四环垸的转化， 它们化学稳定性高，除鍺以外，其他几种都不需要高纯度，因此价格便宜，与反应体系易于分离、便于重复使用。半导体材料 作为光敏剂必须要有氧气存在，否则异构化反应就不能发生。

光敏剂受光激发后，与降冰片二烯发生电子转移，产生价键异构化反应，生成储能化合物四环垸；这类光敏剂称为电子转 移光敏剂。它分为受电子光敏剂和给电子光敏剂。由于四环烷相对降冰片二烯是电子给体；故使用受电子敏化剂有利于四环垸 向降冰片二烯的异构化。在降冰片二烯储能体系方面，不仅利用吖啶类敏化剂、芳香化合物敏化剂与降冰片二烯发生分子间光 异构化反应，还可以利用咔唑为敏化剂进行分子内电子转移光异构化反应，并分别在高分子体系和水溶液体系中实现降冰片二 烯的光诱导价键异构化反应，生成储能化合物四环烷。同时利用四甲苯基钴卟啉和三氟乙酸作催化剂，可以在高分子体系中实 说 明 书 现光异构化产物四环烷侧基的反向异构化反应，从而完成高分子体系中光化学储能以及催化释能的全过程。

现有的光异构化反应由于没有采用聚光方法，直接利用太阳光的效率很低。它无法商业化。

6、光解水制氢需要敏化剂与电子中继体具有适合的光谱以及氧化一还原特性，并且在化学和光化学上是稳定的物质。敏 化剂（S)受光激发必须有效地将光电子转移给中继体 00，同时有效地阻止电子的逆反应。催化剂是促成水的氧化和还原反 应的，而最后生成的氧和氢必须是分开的。根据这些原则，可将水的光解系统分为两个半电池：一个半电池需要非循环的电子 给体（D)才能产生氢（图 15)，另一个半电池需要非循环的电子受体 U)来产生氧（图 16) 。 -

6. 1金属簇体催化剂铁、钴、镍、钯、铂， 比对应金属的催化效果好得多。如物粒本体距离为 30纳米的镍，可以将有机 化合物加氢和脱氢的反应速度提高 15倍。

6.2 由单分子膜（指两亲分子在空气 /水界面自发铺展形成的单层膜）转移到簇体表面所组装的薄膜，称为簇体多层膜。 它可通过单分子膜的组装来构造分子有序体系并将具有光活性的二嗜性染料分子引入簇体多层膜中，制成功能性簇体多层膜。

将现代薄膜 LB (Langmuir-Blodgett)技术中的矿体基片以簇体基片替代，可以制备各种簇体多层膜。成膜材料从分子结 构来分有两部分：一部分可与水混溶，称为亲水基团；另一部分不能与水混溶，称为疏水基团，即表面活性剂或两亲分子。

6.2. 1制备单分子膜时，先将成膜原料（如碳原子数大于 12的脂肪酸、胺、醇、硫酸盐和磺酸盐等）溶解于一种适当的 溶剂（¾0氯仿、丙酮、二甲基甲酰胺、乙醚二甲亚砜及其混合物）中形成铺展溶液，再将铺展溶液均匀地滴加在亚相溶液的表 面上，待溶剂挥发完全后，使用滑障缓慢向前移动压缩亚相溶液表面，使得杂乱排布的成膜分子逐渐变得规整起来，在亚相表 面形成单分子膜。

6.2.2制备混合单分子膜时根据成膜物质，混合单分子膜可分为两类:有机 /有机混合单分子膜和有机 /无机混合单分子膜。 混合单分子膜的制备方法主要有混合溶液铺展法、界面反应法和直接注入法三种。

6.2.3簇体多层膜的制备需要各种不同类型的簇体基片；例如硅簇体片、石英簇体片、氟化钙（ CaF₂)簇体片、半导簇体 片和铂金等金属簇体片。沉积到簇体片上所形成的单分子膜或多层膜的类型与结构，由成膜物质的性质、簇体片的表面性能和 处理状况、表面压、制膜方法等因素决定。在不同的表面压力下，将铺展在气 /液界面上的单分子膜转移到簇体基片上的方法 有：垂直提拉法、亚相降低法、水平附着法、单分子层扫动法等。

6.2.4利用混合单分子膜技术可以将一些具有光学、化学或生物学等的功能分子，在可控的条件下组装到簇体多层膜中的 某一个单分子层中，可以制成混合簇体膜与交替簇体膜。它是由两种或两种以上的成膜物质组成的簇体多层膜。它可以是多组 分成膜物质沉积而成的混合簇体多层膜或是由不同的单分子膜层组装而成的具有各种超结构的交替簇体膜。

聚合物簇体膜与聚合单体膜是一类特殊的簇体膜；可以完善普通有机小分子膜的热稳定性差、机械强度不高等缺陷。 自然界光合作用的量子效率很高 « 1 )，它与一般光化学反应的本质区别在于光诱导电子转移过程是穿过界面进行的。 将甲基紫精中的一个甲基用十四垸基来取代，使之具有表面活性剂的性质；然后以稍低于 CMC浓度（7X 10— l/L)与多 种取代的联吡啶钌（Ru y) )组成微胶束体系，用聚光光解技术证实表面活性剂可以增加电荷分离速度以及遏制逆反应。 说 明 书 一些含有叶绿体色素或者叶绿体类囊体的簇体多层膜应用于光合作用，可以将水分解为氢和氧，并将太阳能转化为化学能。 由于簇体多层膜具有表面积大、成膜材料分布均匀、活化中心多等特征，所以具有催化性能的簇体膜有更高的效率。

6. 3通过日光照射和催化剂的作用，可从水、二氧化碳和氮气中提取有用的物质。利用铂序体粉作为催化剂放在氧化钛的 载体上，在加入甲醇的水溶液中通过光照射可获得氢，产出率比对应金属铂提高几十倍。

在环二烯的加氢反应中，簇体催化剂比对应矿体催化剂的反应速度提高 10-15倍。

6. 4采用原黄素（j^roflavin)或卟啉类化合物作为敏化剂，甲基紫精 dl )作为中继体，载铂石棉 φ ίηιιπι asbestos) 作为催化剂，可进行光分解水制氢。这种采用给电子敏化剂的光分解水制氢体系中，必须加入胺类等作为给电子牺牲体来推动 体系循环。如果采用贫电子敏化剂如 9, 10-二氰基茵（DCA)等代替给电子敏化剂，这样在光解水制氢体系中就有广泛的电子 给体可供选择使用。当采用 9， 10-二氰基茵作敏化剂时，凡氧化电位小于 2V的化合物都可以作为分解水制氢体系的电子给体, 这样有可能选择一些电子给体，例如以取代苯 （甲苯、对二甲苯、均三甲苯）为电子给体，它们在分解水制氢的条件下，不仅 分解水得到氢，同时还生成有用的相应产物醛和联苄类化合物。这种在聚光照射下，分解水制氢的同时，电子给体生成了有用 的化合物；是光能分解水制氣的新系统。

7、环境污染主要是人为活动导致的废气、废水、废渣和废弃物等造成的大气、水域和土壤的污染。水污染治理和土壤污 染治理的光化学技术关键，是要对工农业生产的末端产生的大量工业含污废水进行有效的治理。这就是 "末端治理"。

环境光化学涉及陆地、海洋和大气等海、陆、空各个领域的光化学反应。排放到水中的污染物在自然情况下光解速度很慢, 因而会在水中逐步积累，浓度越来越大。目前江河湖海和地下水的污染日趋严重，就是因为污染物的积累速度远大于其降解速 度所致。防止和治理水体污染的技术是多方面的；水溶液中的光化学技术是不可或缺和日益受到重视的重要技术之一。人们在 •污染物排放之前可以去除水中的污染物，避免造成严重的自然界中水体污染。

7. 1大气污染一直是人们需要解决的难题。空气中超标的二氧化硫、一氧化碳和氮氧化物（N 0 _X)是对人类健康有害的 气体。簇体及其技术能够最终解决产生这些气体的污染源问题。

7. 1. 1工业领域使用的汽油、柴油中由于含有硫的化合物，在燃烧时会产生二氧化硫气体，这是二氧化硫的最大污染源。 所以在石油提炼工业有一道脱硫工艺以降低其硫的含量。钛酸钴簇体是一种良好的石油脱硫催化剂。物粒本体距离为 55— 70 纳米的钛酸钴簇体，作为催化活体多孔硅胶的催化剂，其催化效率极高；经它催化的石油中硫的含量小于 0.01% 。

7. 1. 2工业生产中的煤燃烧也会产生二氧化硫气体。在煤燃烧的同时加入铁簇体粉、镍簇体粉与 ₇ --氧化铁（F¾0₃)的 混合轻烧结粉，不仅可以代替贵金属使煤充分燃烧，不产生一氧化硫气体，提高能源利用率；而且会使硫转化为固体的硫化物, 而不产生二氧化硫气体，杜绝有害气体的产生。其降解机理是在聚光照射下将这些有害物质转化为二氧化碳、水和有机酸。

7. 1. 3二氧化钛簇体具有光催化活性，在光照下半导体二氧化钛价电子就会被激发到导帯上，而在价帯上产生光生电子和 导帯上产生光生空穴。两者分别向二氧化钛纳粒表面迁移。首先吸附在纳粒表面的氧气吸收光生电子，形成多种含氧小分子活 性物质；其次吸附的水分子 0)受二氧化钛纳粒表面空穴作用，形成氢正离子 （H¹ )、氢氧根负离子 （0H^_ )。这些离子能 够强有力地夺得其他物质中的自由电子，进而发生氧化反应。通过对二氧化钛簇体进行铁掺杂，能够增强其光化学反应。 二氧化钛 （Ti0₂)单序体具有耐紫外光、耐强酸强碱、强氧化剂、稳定性好、光量子产率高、无毒等许多优点。但它的带 隙较宽（约 3.2 eV)，原则上只能吸收短于 387纳米的紫外光。利用非金属氮替换二氧化钛单序体中少量的（约 0.75% )序 格氧，可以使二氧化钛单序体的光敏范围达到可见光区（500纳米波长)，并在可见光照射下，分别在液相和气相中降解二氧 化硫、亚甲蓝和乙醛，进行溶液和空气的净化。 '

7. 1.4采用金属板-火焰光解法在 800-- 900'C加热钛金属序体板，同时控制天然气和氧气的流速，可以获得二氧化钛序体; 并使碳原子部分取代了二氧化钛序格中的氧。这样可以提高二氧化钛序体对可见光的响应范围，达到 600纳米以上。

7. 2废水处理的光化学方法突出优点是能够将污说水中的有害物质进行转化为无害的物质后，再进行排放。使用廉价、清洁 的曰光为动力的光化学技术将发挥重要的作用。

污水处理过程中利用日光将一般技术难以去除的有机污染物进行书彻底氧化并达到无毒无害的技术，称为光化学氧化技术。 光化学氧化技术以日光作为能源； 以氧气、臭氧和过氧化氢为氧化剂，将难降解的多种有机污染物彻底氧化，生成无毒、 无害的物质。这种污染治理技术具有能耗低、操作简便、反应条件温和等突出优点。

7.2. 1将极少量的氮掺杂半导体二氧化钛，利用氮化钛 （TiN_x)和二氧化钛的带隙匹配，可以构建可见光响应的光催化剂。 在 380纳米波长的紫外光照射下，二氧化钛单序（或者单晶）电极能使水在常温常压下发生分解反应，产生氢气和氧气。 这种方法的基本原理是，当半导体二氧化钛单序体域者单晶体）受到能量大于其禁带宽带的光照射时，其价帯的电子就被激 发，跃迁到导帯，产生原初电荷分离，即产生导帯电子和禁带空穴。迁移到表面的正空穴具有强的接收电子的能力，即具有很 强的氧化能力。它可以直接将有机分子氧化为正碳自由基，或者将表面的水分子氧化为羟基自由基。二氧化钛单序体域者单 晶体）导帯的电子，则可以与氧分子反应生成超氧负离子 o ,继之转变为羟基自由基。这些羟基自由基进攻有机分子，使之 氧化和分解。最后有机污染物转化为二氧化碳、水和无机盐而达到无害化。利用受激二氧化钛导帯释放电子的能力 ®原性） , 能够除去和回收有毒的重金属离子。

催化剂的物粒本体距离越小，同样数量催化剂的表面积就会越大，催化效率就会越高。二氧化钛簇体光催化反应器主要有 两种：悬浮系统和负载系统。

悬浮系统是直接将簇体粉与有机污染溶液混合，通过搅拌或者鼓入空气使簇体粉均匀分散。这种催化反应系统中的簇体粉 以其较大的表面吸收光能，能够达到催化氧化彻底充分的目的；但无法回收二氧化钛簇体粉， 以达到重复使用簇体粉目的。

负载系统是将簇体固定在载体上形成稳定的固定型光催化剂，克服悬浮系统稳定性差和的缺点，同时不需要额外的设备和 能量消耗就能回收和重复使用簇体。

采用表面活性很强的二氧化钛簇体作为光催化剂，可以利用日光的天然光线或者日光的聚光来代替人工紫外汞光源。

. 7.2. 2采用铂（Pt)、银（Ag)、金（Au)、钌（Ru)、钯（Pd)等贵金属在二氧化钛单序体的表面适量沉积， 向二氧化 钛中掺杂铁（Fe³⁺)、钼（Mo⁵⁺ )、钌（Ru³⁺)等过渡金属离子，使用半导体二氧化钛单序体-绝缘体或者半导体二氧化钛单 说 明 书 序体-半导体复合催化剂，将光活性化合物吸附于催化剂表面等方法，可以改进和提高二氧化钛的催化活性。催化剂单序体的 物粒本体距离小，同样数量催化剂的表面积就大，催化效率就高。催化剂单序体中的量子效应，导致禁带变宽，增强氧化能力。

采用日光域者其聚光）对废水中染料污染物的二氧化钛 何以是单晶体，也可以是单序体）光催化降解，是很有实际用 途的。在光线照射下，染料吸收光子达到激发态；激发态的染料分子可以向二氧化钛转移电子，形成染料正离子和二氧化钕的 导帯电子。这些导帯电子为水中的氧捕获，形成自由基超氧负离子，并能转化为自由基羟基（ΟΙΠ负离子。这些离子都是高 度活泼的氧化剂，可以将染料氧化为二氧化碳、水和无机盐等；可以治理染料水污染。

这种利用氧气-二氧化钕（0₂ - Ti0₂)光催化降解方法，能够使污水中的染料、农药、表面活性剂、 ή代物、油类等多种 有机物进行实用性的降解。如利用二氧化钛单序体，可以使多种染料的除去率达 90%以上；有机磷农药的除去率达 70%以上。

利用环氧树脂将二氧化钛簇体粉黏附于木屑上，或者用硅偶联剂将二氧化硅单序体偶联在硅铝空心微球上，可以制备漂浮 于水面上的二氧化钛簇体光催化剂，用于处理水面上的油膜污染。它可以治理海上石油污染。

7.2.3以过氧化氢（¾0₂)单序体作为氧化剂的光化学氧化法，可以降解绝大部分有机污染物。

过氧化氢是一种中等强度的氧化剂。在酸性条件（酸碱度 ρΗ<3 )下，用小于 400纳米波长的紫外光照射， 以 Fe²⁺或者 Fe³⁺作为催化剂，可以使水中的有机污染物的氧化降解比较完全。这是光照使反应物中产生具有更高氧化能力的羟基自由基， 从而可降解大部分有机污染物。但它对于以可见光为主的日光来说，效率必然是低下的。利用染料序体，可以使吸收的光谱红 移，在可见光照射下和铁离子催化剂存在条件下，过氧化氢可以使染料迅速降解。

另外，采用水溶性的四磺酸基酞菁铁络合物 （FePcS)或者四磺酸基酞菁锰络合物 （MnPcS)作为催化剂，可见光照射在水 溶液中， 以过氧化氢做氧化剂，可以实现对水杨酸、羟基苯甲酸、罗丹明 B、结晶紫、吖啶橙等多种有机物的氧化降解。

7.2.4以臭氧作为氧化剂的光化学氧化法，可以降解多种有机和无机污染物。

臭氧是一种强氧化剂，可以氧化多种有机物和无机物。溶于污水中的臭氧，在紫外线的作用下，可以产生羟基自由基。 臭氧光解产生羟基的量子产率为 2。生成的羟基自由基是一种极强的氧化剂。它在水中的寿命极短。羟基的生成速率与溶 液的 pH值有关。溶液的酸性越强，羟基的生成速率越低。故碱性条件能提高紫外光 -臭氧体系对有机物的降解速率。向体系中 加入过氧化氢，有利于羟基自由基的生成，故也将加速体系中有机物的光氧化降解。

利用聚光照射溶液中的臭氧，可以降解氯苯、氯代苯酚等有机物。这些有机物经过氧化、开环和断裂等多种反应，最后生 产二氧化碳和水。

8、将不同的光接收器与各种低碳光化学反应器进行组合，可以组成各种各样的低碳直光化学系统。

8. 1 光聚集器可以采用折射凸透镜安置在东、西棱镜之间的中央的下方（图 1)。 这个水平设置的凸透镜，焦点在凸透 镜的下方；低碳光化学反应器的聚光源或者传输光纤的始端安装在该凸透镜的焦点上，并使该聚光能够进入光纤内全反射。

8.2光聚集器也可以采用反射凹面镜安置在东、西棱镜之间的中央的下方（@2 )。这个水平设置的凹面镜，焦点在凹面 镜的上方；低碳光化学反应器的聚光源或者传 I f的始端安装在该凹面！焦点上，并使该聚光能够进入光纤内全反射。 因为在入射日光所通过的区域内设置低碳光化学反应器.，会挡掉了一部分入射日光；所以可以利用反射镜把聚光反射到位 于反射镜旁边的低碳光化学反应器（图 12)或者反射后穿过凹面镜上的孔洞出射（图 13)到低碳光化学反应器。

8.3 光聚集器还可以采用一个直径一般为 0.4米以上的凸透镜 域者涂有银或铝的反射凹面镜），把日光的平行光线折 射域者反射）后，聚焦到一个经过精密加工的透明锥体中，该锥体里含有对光线起折射作用的油。这种光聚集器中除了增加 透明锥体之外，其他部分（包括低碳光化学反应器）与折射凸透镜的光聚集器基本相同。

8.4 光接收器可以采用日光跟踪器使折射凸透镜或者反射凹面镜对准太阳。这种光聚集器的折射凸透镜（不包括棱镜） 直接安装在日光跟踪器上，其他部分（包括低碳光化学反应器)与折射凸透镜的光聚集器基本相同。

8.5 将不同的光接收器、传输光纤、各种低碳光说化学反应器进行组合，可以组成各种各样的低碳曲光化学系统。 附图说明

图 1 采用凸透镜的低碳光化学示意图。光接收器的折射凸透镜书位于东、西方棱镜之间的中央的下方。该水平凸透镜使在 适当的太阳高度角范围内，将太阳光聚集于低碳光化学反应器，或者通过传输光纤将聚光送往低碳光化学反应器。

图 2采用凹面镜的低碳光化学示意图。光接收器的反射凹面镜位于东、西方棱镜之间的中央的下方。该水平凹面镜使在 适当的太阳高度角范围内，将太阳光聚集于低碳光化学反应器，或者通过传输光纤将聚光送往低碳光化学反应器。

图 3 低碳曲光化学系统示意图。它主要由光接收器、传输光纤和低碳光化学反应器三个部分组成。

图 4采用光隔离器等的低碳光化学示意图。它由光接收器、防止光线反射回来的光隔离器和低碳光化学反应器组成。 图 5采用光隔离器等的低碳曲光化学示意图。它由能将光线聚焦的光接收器、防止光线反射回来的光隔离器和将光线送 入光纤的耩合器、传输光纤、能将光线从光纤的终端耦合到光化学反应器中的光纤耦合器、低碳光化学反应器等组成。

图 6 T型耦合器示意图。它的功能是将一根光纤输入的光功率分配给两根光纤。它可以是与波长有关或无关的耦合器。 图 7 星型耦合器示意图。它可以由两根以上（最多可以到 100多根）的光纤局部加热熔合而成。 - 图 8 光隔离器结构示意图。它含有永久磁铁。将法拉第旋转器旋转，使起偏器和检偏器互成 45°，就可实现光隔离。 图 9 低碳光化学反应器示意图。它由聚光、透镜、滤光片、石英反应池、恒温装置和功率计等几部分组成。

图 10光线在棱镜中传输示意图。该玻璃棱镜的角是 45°—90° -45° 。光线正入射到棱镜的一个较短的面上，以 45°的 入射角投射到斜面上。这个角大于玻璃一空气的临界角 42°；光线作全反射，从第二个较短的面射出。.

图 11凹面镜反射光线示意图。平行光束经凹面镜反射之后会聚于焦平面上一点而产生一个亮点。

图 12将聚光反射到 ca面镜旁边的示意图。利用反射镜可以把聚光反射到 面镜旁边的光化学反应器中。

图 13将聚光反射后穿过凹面镜上的孔洞而出射的示意图。利用反射镜可以把聚光反射到凹面镜后面的光化学反应器。 图 14 太阳能的光化学储存体系示意图。化合物 A能吸收日光而转变成化合物 B。化合物 B放出能量转化为化合物八。

.图15 水的光解系统中的一个半电池示意图。这个半电池需要非循环的电子给体（D)才能产生氢。

图 16水的光解系统中的另一个半电池示意图。另一个半电池需要非循环的电子受体（A)来产生氧。 说 明 书 具体实施方式 利用簇体代替对应的矿体，可组建各种低碳光化学系统。

光接收器将聚集的太阳光，直接参与低碳光化学反应，可组建各种低碳直光化学系统（图 1、图 2、图 4) 。

光接收器将聚集的太阳光，通过光纤传输一定距离之后参与低碳光化学反应，可组建各种低碳曲光化学系统（S3、图 5)。

1、光接收器由能将光线聚集于光纤始端接口或者光化学反应器的光聚集器以及棱镜组成。它也可以由光聚集器、防止光 线反射回来的光隔离器和将光线分路送入光纤或者光化学反应器的耦合器等组成（图 10)。光接收器的工作过程为：

光接收器是由具有改变光线方向的棱镜 010)和聚焦平行光线的凸透镜或者凹面镜 11 )等组成 1 )。在太阳高 度角较小（早晨或傍晚）时，棱镜改变日光的方向；使日光经过棱镜之后，能够通过凸透镜进入光化学反应器或者传输光纤内。

光接收器也可以由日光跟踪器和凸透镜或者凹面镜等组成。

1. 1光聚集器可以采用棱镜和凸透镜（图 1 )，该凸透镜位于东、西棱镜之间的中央的下方。这个水平设置的凸透镜，应 当满足在适当太阳高度角范围内，太阳光可以聚集于该凸透镜下面的传输光纤始端上（图 1) 。

太阳与地球上某地的相对位置，跟太阳高度角和太阳方位角有关。

太阳高度角 H和方位角 Z的数值可以由（5) 、 (6)公式计算。

太阳光从折射率近似为 1的空气中，射到折射率为 n的光纤，如果入射角 6大于临界角 Φο时，就会发生全反射。

根据公式（11)，临界角 Φο == arcsin ( 1/ n) 。

根据早晨与傍晚的透镜边缘的太阳光线射入传输光纤的入射角大于临界角 Φο，可以确定所需要的太阳高度角 H的最小值, 从该太阳高度角的最小值 H _Bi„ (度)，根据公式（8)和（9)可以确定棱镜的两个折射面的夹角 0 。

透镜的有效长度 a可以用焦距 f (in)和所确定的当地最小太阳高度角 H„_in (度)代入以下公式- a =f tg(90° - H J (单位： m ) ' ( 12)

最小太阳高度角 H„_¾还可以根据当地太阳辐射统计资料来确定，一般在 20° -30°之间选择。

透镜的宽度 b可以用焦距 f (m)和当地地理纬度 Φ (度)代入以下公式：

b =f tg(0. 8 Φ— 1Γ ) (单位： m ) ( φ ^ 23. 5° ) ( 13)

b =f tg( 8° ) (单位： m ) ( Φ <23. 5° ) ( 14)

1. 2 光聚集器可以采用棱镜和凹面镜（图 2) ，该凹面镜位于东、西棱镜之间的中央的下方。这个水平设置的凹面镜，应 当满足在适当太阳高度角范围内，太阳光可以聚集于该凹面镜上面的传输光纤始端内（图 2) 。

可以选择棱镜的两个折射面的夹角 Θ，使早晨与傍晚的太阳高度角在某个数值时（一般选择 20° - 30° ) ,经棱镜折射 后的太阳光，再经过凸透镜折射之后，能聚集于位于其焦点的传输光纤的始端内，并且满足入射光线在光纤的总接收角范围内。

1. 3将光纤的始端利用透明材料密封后， 直接安装在聚光凸透镜映射在存储有油的透明锥体中的焦点上。

. 1. 图 1中也可以不使用棱镜，而将凸透镜或凹面镜直接安装在日光跟踪器上。这样可以使它们一直对准太阳光。

日光跟踪器采用东西水平和上下垂直方向、双轴自动跟踪设备，以带动光聚集器和位于凸透镜或凹面镜的焦点上的传输光 说 明 书 纤的始端，共同跟踪太阳移动，使凸透镜或凹面镜保持与光线垂直，最大限度地接受光线辐射的光能，提高低碳光化学系统的 效率。日光跟踪器的动力由太阳光电池存储在蓄电池中的化学能提供。它可以实现高精度、高可靠性、制造成本低的三维空间 非线性运动。它为大规模、高效率利用太阳能，奠定了可以提供选择的设备基础。

日'光跟踪器的机械传动部分由东西水平方位和垂直方向仰角驱动电机及低齿轮间隙、高强度、高精度、高减速比的减速器 组成，保证了整机的精度。由于减速器的减速比很高，因此大大减少电机的驱动力和功率；方位和仰角驱动电机的功耗小于 1 由于日光跟踪器每天从东到西跟踪太阳只转动 180°，夜间从西向再返回到东向，一天只转动一圈，机械磨损极小，寿命很长。

1.5光隔离器是一种只允许单方向传输的光学器件。对光隔离器要求是隔离度大、插入损耗小和价格便宜。

光隔离器可用法拉第磁光效应原理制成，如图 10所示。它含有永久磁铁和 45°法拉第旋转器，将法拉第旋转器旋转，使 起偏器和检偏器互成 45°，就可切断反射光，防止光线反射回来，实现光隔离。

在光隔离器的内壁上可以涂一层磷光剂。当磷光剂受到太阳光中含有的紫外线照射时，会发出可见光。采用不同磷光剂， 可制成能发出任何可见光。常用磷光剂有：发出粉红色的硼酸镉；发出绿光的硅酸锌；发出蓝光的钨酸钙；发出白光的混合物。

光纤耦合器连接到光纤的始端或终端，进行光线的分离或合并。光束从光纤始端进入，传输到另一端（终端）出去。 光纤耦合器的作用是将一个或多个输入光波分配给多个或一个线路输出。 目前耦合器的形式主要有 T型耦合器（图 6) 、 星型耩合器（图 7)、方向耦合器等。光纤耦合器是将光线进行分路、合路、插入和分配的光学器件。

光开关的功能是转换光路，实现光波的交换。对光开关的要求是插入损耗小、重复性好、开关速度快、消光比大、寿命长、 结构小型化和操作方便 4

目前使用的光开关可分为两大类:一类是利用电磁铁或步进电机驱动光纤或透镜来实现光路转换的机械式光开关；其中微 机械光开关，采用机械光开关的原理，但又能像波导开关那样，集成在单片硅衬底上。另一类是利用固体物理效应，如电光、 磁光、热光和声光效应等的固体光开关。

2、对光纤的基本要求是：从光接收器 1 )或者光隔离器 （®10)耦合进光纤的光功率最大；光纤的传输窗口要满足 系统应用的要求。具体设计时要根据使用条件，进行折衷考虑：

在可见光范围（400nnr"700ran)内，光线在光纤中的衰减要足够小。同时考虑连接器、接头和耦合器的损耗。因此要正确 选择光纤的类型。光纤的纤芯尺寸较大时，可减少光线的耦合损耗。

光线在空气介质 m中以不同的角度 α从光纤端面耦合进入纤芯 时,有的光可以在光纤中传输，有的光不能在光纤中传输, 由于 n。<m,不是所有角度入射的光线都能进入光纤芯，并在光纤芯内进行传输。只有一定角度范围内的光线射入纤芯内时， 产生的反射光符合一定的条件，才能在光纤内传输。根据折射定律， 只有入射角 9大于临界角 Φο时，所对应的入射角 a max 以内的光线才能进入光纤传输。

最大接收角的两倍 ^ ΠΗΧ为入射光线的总接收角。即光纤的总接收角为： _a ==2 (i _raaX。

传输小能量的光线可以使用普通的石英玻璃实心光纤。传输高能量的光线就要使用空心光纤。 说 明 书

2. 1 普通的石英玻璃实心光纤，可分为单模光纤和多模光纤。后者按折射率的分布又分为阶梯折射率 Step Index , SI) 型光纤与渐变折射率（Graded Index， GI)型光纤。

由于太阳光的聚光束直径通常是数百微米以上，一般采用多模光纤。实用中光纤不仅要求低损耗，还要有好的弯曲特性, 耐热性、化学稳定性等。石英光纤满足这些条件，并且在 ΐ μ ιη附近具有最低损耗，可以用来传输可见光和紫外线。

2. 2空心光纤也称为空心波导。空心波导的纤芯为空气。它一般使用对传输波长的折射率小于 1的材料做波导管。其传输 光线原理与阶梯折射率型的实心光纤相同，光线在管壁上全反射。

光线在金属内壁上涂覆透明电介质的空心光纤的涂覆层上多次反射，具有较高的反射率。其支撑管可用金属或玻璃。

3、 低碳光化学系统由光接收器和低碳光化学反应器二个部分组成。光接收器将日光直接聚焦于低碳光化学反应器内

1)。将光接收器、低碳光化学反应器、传输光纤进行不同的组合，可以形成各种各样的低碳光化学系统、低碳直光化学系统 和低碳曲光化学系统。光源的光线能够从光纤的一端而曲线传输到光纤的另一端。利用光纤的曲线传输光线的功能，可以组建 各种各样采用太阳光进行工厂化生产的低碳曲光化学。 '

4、贮氢合金（hydrogen storage alloy)体系是利用金属（或合金）序体与氢之间的相互作用而将能量 存或释放。

4. 1利用镁序体在吸氢时放出的热量高达 3500kJ/kg，可以将工厂低温排放的热量或太阳能作用于镁序体上；其吸热时放 出的氢，储存在氢气瓶里；而当人们需要热水时，只要给氢气瓶加一点压力，镁序体就会吸氢并进入放热状态，从而将热交换 管中的水加热，供人们使用。在吸氢放热和吸热放氢的过程中，氢气没有消耗；它只是与镁序体一起组成了贮热器。

4.2向装有贮氢序体填充层的压缩机输入低压氢气时，贮氢序体吸氢放热，将氢存储起来，放出的热量用通入管子的冷水 吸收；然后将另外系统加热的水通入贮氢序体中的管子，贮氢序体便吸热并放出高压氢气，可用作驱动力。这种压缩机没有复 杂的机械零件，结构简单，成本低，不产生噪声，并能产生相当大的驱动力。

5、通过光化学反应合成小环化合物或者笼状化合物，可用来储存太阳能。化合物 A能吸收聚光而转变成具有高内能的化 物 B;可以借助催化剂的作用将储存在化合物 B中的化学能以热的形式释放出来， 同时化合物 B转化为化合物 A (图 14) 。

5. 1蒽在聚光下发生光加成反应。当蒽的 9位有取代基时，光加成产物有两种，其中以头 --尾 (H-T)相连的产物居多。 在萘的光加成反应中，取代基的性质和位置对反应有很大影响。当取代基为烷基（一 R)或者垸氧基（~0R)时，立体效 应控制光加成反应生成外向（exo)加成产物和内向（endo)加成产物。

以上蒽和萘的聚光加成反应可以超过 418kJ/kg的储能指标。

5.2二苯乙烯类或者偶氮类化合物在聚光下发生几何异构化反应，储能能力相对比较低。

在光诱导价键异构化反应中，降冰片二烯 幅 D)和四环垸 Q)间的异构化反应的量子产率高，储能可达到 1212.2 kj/kg, 有利于构成流动相的循环体系，又易于控制。

苯在聚光作用下，发生异构化反应，生成化合物棱柱垸；它的储能可达 4012. 8 kj/kg。棱柱烷在室温下足够稳定， 90'C时 热解至苯的半衰期为 11小时。 6、光解水制氢需要敏化剂与电子中继体具有适合的光谱以及氧化- -还原特性，并且在化学和光化学上是稳定的物质。 n卜啉类化合物可以作为敏化剂用于分解水制氢。

6. 1金属簇体具有与微观金属原子或宏观金属相不同的性质；铑簇体粉在烯烃氢化反应中，显示极高的活性和良好的选择 性。烯烃末端双键被尺寸较小的官能团相邻接、包裹，致使双链很难打开；普通催化剂很难进行催化加氢。而铑簇体粉的物粒 本体距离为 1纳米，很容易打开烯烃末端双键，使氢化反应顺利进行。

镍簇体作为催化剂，其物粒本体距离为 30纳米, 由于簇体表面效应，将有机化合物加氢和脱氢的反应速度大大提高。

6.2簇体多层膜的成膜材料有脂肪类成膜材料，包括脂肪酸类 C_n¾ _n+1COOH)、醇类 C„H_{2 n+1}0H)、酯类 C„H_{2 n+1}COOR) 酰胺类（C_nH_{2 n+l} CONH₂)、胺类（( H₂„_+I N¾)等。它说们大多均能较好地成膜，原则是亲水头基亲水性较强时，需要选择垸基 链较长（碳链中至少有 12个碳原子）的分子；若亲水性较弱，选择适当的链长的分子可以成膜，但形成的膜稳定性较差。一 些含有叶绿体色素或者叶绿体类囊体的簇体多层膜应用于光合作用，书可以将水分解为氢和氧。

6.3利用铂簇体粉放在氧化钛的载体作为催化剂，在加入甲醇的水溶液中通过聚光照射，可获得氢。

6. 采用原黄素或卟啉类化合物作为敏化剂， 甲基紫精（乙腈 /水== 9)作为中继体，载铂簇体的石棉作为催化剂，可 加入胺类等推动体系循环，进行光分解水制氢。以对二甲苯为电子给体，它们在光照射分解水制氢的条件下，不仅分解水得到 氢， 同时还生成有用的相应产物对甲基苯甲醛和对甲基联苄。

7、水污染治理和土壤污染治理技术很多，原则上可以分为物理法、化学法和生物法三类。

物理方法如过滤、吸附、沉淀、离心分离等。这些方法简便易行，但对于水溶性污染物往往无能为力。物理法一般只能对 污染物进行分离处置，而不能将污染物消除。

生物法主要是利用水中的微生物分解有害污染物使之变为无害和无毒的稳定物质，然后进行排放。它无疑是一种较好的污 水处理方法，但也不是所有的污水都能用生物法进行有效的处置。

化学法可以将污水中的有害物质进行转化，使之变为无害的物质后，再进行排放。使用廉价、清洁的日光为能源的光化学 技术，进行有毒难降解的有机污染物的处理是一种有效的方法。水溶液中的光化学技术是不可或缺和日益受到重视的重要技术。

7. 1大气污染主要是空气中超标的二氧化硫、一氧化碳和氮氧化物（N 0 _X)。簇体技术能够解决产生气体污染的问题。 石油提炼工业有一道脱硫工艺以降低其硫的含量。钛酸钴簇体是一种良好的石油脱硫催化剂。物粒本体距离为 55— 70纳 米的钛酸钴簇体， ·作为催化活体多孔硅胶的催化剂，其催化效率极高；催化剂的作用：一是提高反应速度，增加反应效率；二 是决定反应路径，有优良的选择性 剩如只进行氢化、脱氢反应，不发生氢化分解和脱水反应）；三是降低反应温度。金属簇 体粉的催化剂载体的种类很多，主要有氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钛、沸石等。

在煤燃烧的同时加入铁簇体粉、镍簇体粉与 氧化铁（Feft)的混合轻烧结粉，不仅可以代替贵金属使煤充分燃烧， 不产生一氧化硫气体，提高能源利用率；而且会使硫转化为固体的硫化物，而不产生二氧化硫气体，杜绝有害气体的产生。其 降解机理是在聚光照射下将这些有害物质转化为二氧化碳、水和有机酸。 说 明 书 二氧化钛簇体具有巨大的比表面积，可以将有机物最大限度地吸附在它的表面；它具有更强的紫外光吸收能力，因而具有 更强的光催化降解能力，可以快速将吸附在其表面的有机物分解掉；采用表面活性很强的二氧化钛簇体作为光催化剂，可以利 用聚光替代紫外汞灯光源。

7.2使用廉价、清洁的聚光为能源的光化学技术，利用光化学方法将废水中的有害物质转化为无害的物质后进行排放。 光化学氧化技术以日光域者聚光）作为能源；以氧气、臭氧和过氧化氢为氧化剂，将难降解的多种有机污染物彻底氧化, 生成无毒、无害的物质。这种污染治理技术具 能耗低、操作简便、反应条件温和等突出优点。

.将极少量的氮掺杂半导体二氧化钛，利用氮化钛（TiN X)和二氧化钛的带隙匹配，可以构建可见光响应的光催化剂。 在悬浮式催化反应系统中簇体直接参与到反应物的反应之中，形成复合型产物。二氧化钛簇体不但可用于光催化聚合反应, 而且可用于热催化聚合反应。由于二氧化钛簇体的制备方法不同，其活性也不一样。

在负载式催化反应系统中，是将簇体固定在载体上形成稳定的固定型光催化剂。将二氧化钛簇体粉固定于载体上或者使用 半导体薄膜的形式，能够连续处理有机污染物。它也可参与光化学反应物的化学变化或物理变化。

采用表面活性很强的二氧化钛簇体作为光催化剂，可以利用日光的天然光线或者日光的聚光来代替人工紫外汞光源。 采用硅载体镍催化剂对丙醛进行氧化反应， 当镍簇体的物粒本体距离在 5纳米以下时，反应选择性发生急剧变化-一醛分 解得到控制，生成乙醇的选择性迅猛上升。

对废水中染料污染物，采用日光 域者其聚光）的二氧化钛何以是单晶体，也可以是单序体）光催化降解，形成染料正 离子和二氧化钛的导帯电子。在可见光照射下，染料吸收光子跃迁为激发态；激发态的染料分子可向二氧化钛转移电子，形成 自由基超氧负离子，并能转化为自由基羟基（om负离子。这些离子都是高度活泼的氧化剂，可以将染料氧化为二氧化碳、 水和无机盐等。

以过氧化氢（H₂O₂)单序体作为氧化剂的光化学氧化法，可以降解绝大部分有机污染物。

在染料存在环境下，利用可见光 （1聚光）照射，在铁离子 （Fe²⁺或者 Fe³⁺)催化剂作用下，过氧化氢可以使水中的有机 染料迅速氧化降解。这是光照使反应物中产生具有更高氧化能力的羟基自由基，从而可降解大部分有机染料。在可见光照射下, 利用铁离子簇体粉作为催化剂，过氧化氢可以使染料更加迅速降解。

采用水溶性的四磺酸基酞菁铁络合物 （FePcS)或者四磺酸基酞菁锰络合物 < nPcS)作催化剂，催化过氧化氢氧化降解微 生物难于直接降解的氯代酚类有机污染物。用乙氰和水（1： 3)做溶剂，在溶液中性条件下实现多种氯代酚氧化降解。

8、将光接收器、各种不同的低碳光化学反应器进行组合，可以组成各种各样的低碳直光化学系统。

将光接收器、传输光纾、各种不同的低碳光化学反应器进行组合，可以组成各种各样的低碳曲光化学系统。

Claims

权 利 要 求 书

1、低碳直光化学系统中，光聚集器可以采用折射凸透镜安置在东、西棱镜之间的中央的下方； 这个水平设置的凸透镜， 焦点在凸透镜的下方；低碳光化学反应器的聚光源安装在该凸透镜的焦点上 ,并使聚光进入低碳光化学反应器进行光化学反应。

2、低碳直光化学系统中，光聚集器也可以采用反射凹面镜安置在东、西棱镜之间的中央的下方；这个水平设置的凹面镜, 焦点在凹面镜的上方；可以利用反射镜把聚光反射到位于反射镜旁边的低碳光化学反应器或者反射后穿过四面镜上的孔洞出射 到低碳光化学反应器；并使聚光进入低碳光化学反应器进行光化学反应。

3、如权利要求 1所述低碳直光化学系统中，可以采用一个直径一般为 0.4米以上的凸透镜（或者涂有银或铝的反射凹面 镜），把日光的平行光线折射域者反射）后，聚焦到一个经过精密加工的透明锥体中，该锥体里含有对光线起折射作用的油; 这种光聚集器中除了增加透明锥体之外，其他部分与低碳直光化学系统的光聚集器和低碳光化学反应器基本相同。

4、光接收器可以采用日光跟踪器使折射凸透镜或者反射凹面镜对准太阳：这种光接收器的折射凸透镜（不包括棱镜）直 接安装在日光跟踪器上，其他部分（包括低碳光化学反应器）与折射凸透镜或者反射凹面镜的光聚集器基本相同；低碳光化学 反应器的聚光源安装在该凸透镜的焦点上或者凹面镜最后确定的焦点上，并使聚光进入低碳光化学反应器进行光化学反应。

5、如权利要求 1、或者权利要求 2、或者权利要求 3、或者权利要求 4所述低碳直光化学系统中，将^输光纤的始端安装 在光聚集器的焦点上，聚光经过传输光纤的全反射，到达光纤的终端、此处为低碳光化学反应器中的聚光源；.使聚光进入低碳 光化学反应器进行光化学反应。 ： '

6、如权利要求 1、或者权利要求 2、或者权利要求 3、或者权利要求 4所述低碳直光化学系统中，或者权利要求 5所述低 碳曲光化学系统中；低碳光化学反应器中的光化学反应体系为：利用金属域合金）序体与氢形成氢化物而将氢贮存起来的贮 氢合金序体体系；

6. 1利用贮氢合金序体在吸氢时放热，在放氢时吸热；可制造制冷或采暖设备；例如镧镍贮氢合金序体在吸氢时放出的热 能为 250kj/kg以上，镁序体在吸氢时放出的热量高达 3500kj/kg以上；将工厂低温排放的热量或聚光作用于贮氢序体上；其 吸热时放出的氢，储存在氢气瓶里；而当人们需要热水时，只要给氢气瓶加一点压力，贮氢序体就会进入放热状态，从而将热 交换管中的水加热，供人们使用；在吸氢放热和吸热放氢的过程中，氢气没有消耗；它只是与贮氢序体一起组成了贮热器；

6.2利用贮氢合金序体在放氢时产生的压力，通过适当的动力转换装置，可转变成有用的机械能；例如向装有贮氢序体填 充层的压縮机输入低压氢气时，贮氢序体吸氢放热，将氢存储起来，放出的热量用通入管子的冷水吸收；然后将低碳直光化学 系统，或者低碳曲光化学系统加热的水通入贮氢序体中的管子，贮氢序体便吸热并放出高压氢气，可用作驱动力；这种压缩机 没有复杂的机械零件，结构简单，成本低，不产生噪声，并能产生相当大的驱动力。

7、如权利要求 1、或者权利要求 2、或者权利要求 3、或者权利要求 4所述低碳直光化学系统中，或者权利要求 5所述低 碳曲光化学系统中；低碳'光化学反应器中的光化学反应体系为：太阳能的光化学储存体系；

7. 1蒽或萘的光加成反应都生成具有较高内能的产物；太阳能可以借此加成过程以化学能的形式被储存于光反应产物中； 权 利 要 求 书

7.2光异构化反应包括几何异构化反应（即顺 --反异构化反应）和价键异构化反应两种；

二苯乙烯类或者偶氮类化合物在聚光下发生几何异构化反应，随敏化剂种类不同，达到光稳态时的顺式二苯乙烯和反式二 苯乙烯的比例会有明显的改变；

苯或者吡啶及其衍生物在聚光作用下发生价键异构化反应；价键异构化反应一般是通过光照引起分子内双键加成反应形成 笼状化合物或张力化合物来达到储能的目的。

8、如权利要求 1、或者权利要求 2、或者权利要求 3、或者权利要求 4所述低碳直光化学系统中，或者权利要求 5所述低 碳曲光化学系统中；低碳光化学反应器中的光化学反应体系为：可将水的光解系统分为两个半电池：一个半电池需要非循环的 电子给体（D)才能产生氢，另一个半电池需要非循环的电子受体（A)来产生氧；

8. 1金属簇体催化剂铁、钴、镍、钯、铂， 比对应金属的催化效果好得多；

8.2 簇体多层膜可通过单分子膜的组装来构造分子有序体系并将具有光活性的二嗜性染料分子引入簇体多层膜中，制成 功能性簇体多层膜；将现代薄膜 LB技术中的矿体基片以簇体基片替代，可以制备各种簇体多层膜；

8.3通过日光照射和催化剂的作用，可从水、二氧化碳和氮气中提取有用的物质；利用铂序体粉作为催化剂放在氧化钛的 载体上，在加入甲醇的水溶液中通过光照射可获得氢；

8.4采用原黄素或卟啉类化合物作为敏化剂，甲基紫精作为中继体，载铂石棉作为催化剂，可进行光分解水制氢；这种采 用给电子敏化剂的光分解水制氢体系中，必须加入胺类等作为给电子牺牲体来推动体系循环；如果采用贫电子敏化剂如 9， 10- 二氰基茵（DCA)等代替给电子敏化剂，这样在光解水制氢体系中就有广泛的电子给体可供选择使用；当采用 9， 10-二氰基茵 作敏化剂时，凡氧化电位小于 2V的化合物都可以作为分解水制氢体系的电子给体；这样有可能选择一些电子给体，例如以取 代苯（¥苯、对二甲苯、均三甲苯）为电子给体，它们在分解水制氢的条件下，不仅分解水得到氢，同时还生成有用的相应产 物醛和联苄类化合物；这种在聚光照射下，分解水制氢的同时， 电子给体生成了有用的化合物。

9、如权利要求 1、或者权利要求 2、或者权利要求 3、或者权利要求 4所述低碳直光化学系统中，或者权利要求 5所述低 碳曲光化学系统中；低碳光化学反应体系为：对工农业生产的末端产生的大量工业废气和含污废水进行有效的治理；

9. 1大气污染中超标的二氧化硫、一氧化碳和氮氧化物（N 0 _x)是对人类健康有害的气体；簇体及其技术能够最终解决 产生这些气体的污染源问题；

9. 1. 11业领域使用的汽油、柴油中由于含有硫的化合物，在燃烧时会产生二氧化硫气体，这是二氧化硫的最大污染源； 所以在石油提炼工业有一道脱硫工艺以降低其琉的含量：钛酸钴簇体是一种良好的石油脱硫催化剂；物粒本体距离为 55— 70 纳米的钛酸钴簇体，作为催化活体多孔硅胶的催化剂，其催化效率极高；经它催化的石油中硫的含量小于 0. 01% ；

9. 1.2工业生产中的煤燃烧也会产生二氧化硫气体；在煤燃烧的同时加入铁簇体粉、镍簇体粉与 ₇ --氧化铁（Feft)的 混合轻烧结粉，不仅可以代替贵金属使煤充分燃烧，不产生一氧化硫气体，提高能源利用率；而且会使硫转化为固体的硫化物, 权 利 要 求 书 而不产生二氧化硫气体，杜绝有害气体的产生； 其降解机理是在聚光照射下将这些有害物质转化为二氧化碳、水和有机酸；

9. 1.3二氧化钛簇体具有光催化活性，在光照下半导体二氧化钛价电子就会被激发到导帯上，而在价帯上产生光生电子和 导帯上产生光生空穴；两者分别向二氧化钛纳粒表面迁移；首先吸附在纳粒表面的氧气吸收光生电子，形成多种含氧小分子活 性物质；其次吸附的水分子 （¾0)受二氧化钛纳粒表面空穴作用，形成氢正离子 （tf )、氢氧根负离子 （0H— )；这些离子能 够强有力地夺得其他物质中的自由电子，进而发生氧化反应；通过对二氧化钛簇体进行铁掺杂，能够增强其光化学反应； 二氧化钛 0₂)单序体具有耐紫外光、耐强酸强碱、强氧化剂、稳定性好、光量子产率高、无毒等许多优点；但它的带 隙较宽（约 3.2 eV)，原则上只能吸收短于 387纳米的紫外光；利用非金属氮替换二氧化钛单序体中少量的（约 0.75%)序 格氧，可以使二氧化钛单序体的光敏范围达到可见光区（500纳米波长），并在可见光照射下，分别在液相和气相中降解二氧 化硫、亚甲蓝和乙醛，进行溶液和空气的净化；

9. 1.4采用金属板-火焰光解法在 800— 900'C加热钛金属序体板，同时控制天然气和氧气的流速，可以获得二氧化钛序体; 并使碳原子部分取代了二氧化钛序格中的氧;这样可以提高二氧化钛序体对可见光的响应范围，达到 600纳米以上；

9.2在废水处理中，光化学氧化技术以日光作为能源；以氧气、臭氧和过氧化氢为氧化剂，将难降解的多种有机污染物彻 底氧化，生成无毒、无害的物质；这种污染治理技术具有能耗低、操作简便、反应条件温和等突出优点；

9.2. 1将极少量的氮掺杂半导体二氧化钛，利用氮化钛 （TiN_x)和二氧化钛的带隙匹配，可以构建可见光响应的光催化剂; 在 380纳米波长的紫外光照射下，二氧化钛单序（或者单晶）电极能使水在常温常压下发生分解反应，产生氢气和氧气； 采用表面活性很强的二氧化钛簇体作为光催化剂，可以利用日光的天然光线或者聚光来代替人工紫外汞光源；

9.2.2采用铂（Pt)、银（Ag)、金（Au)、钌（Ru)、钯（Pd)等贵金属在二氧化钛单序体的表面适量沉积， 向二氧化 钛中掺杂铁（Fe³⁺)、钼（Mo⁵⁺ )、钌（Ru³⁺)等过渡金属离子，使用半导体二氧化钛单序体-绝缘体或者半导体二氧化钛单 序体-半导体复合催化剂，将光活性化合物吸附于催化剂表面等方法，可以改进和提高二氧化钛单序体的催化活性；

采用日光域者其聚光）对废水中染料污染物的二氧化钛 何以是单晶体，也可以是单序体）光催化降解，是很有实际用 途的；在光线照射下，染料吸收光子达到激发态；激发态的染料分子可以向二氧化钛转移电子，形成染料正离子和二氧化钛的 导帯电子；这些导带电子为水中的氧捕获，形成自由基超氧负离子，并能转化为自由基羟基（OH )负离子；这些离子都是高 度活泼的氧化剂，可以将染料氧化为二氧化碳、水和无机盐等；可以治理染料水污染；

这种利用氧气 -二氧化钛（0₂ - Ti0₂)光催化降解方法，能够使污水中的染料、农药、表面活性剂、卤代物、油类等多种 有机物进行实用性的降解；如利用二氧化钛单序体，可以使多种染料的除去率达 90%以上；有机磷农药的除去率达 70%以上; 利用环氧树脂将二氧化钛簇体粉黏附于木屑上，或者用硅偶联剂将二氧化硅单序体偶联在硅铝空心微球上，可以制备漂浮 于水面上的二氧化钛簇体光催化剂，用于处理水面上的油膜污染；它可以治理海上石油污染；

9.2.3以过氧化氢（H₂0₂)单序体作为氧化剂的光化学氧化法，可以降解绝大部分有机污染物；

权 利 要 求 书 过氧化氢是一种中等强度的氧化剂；在酸性条件（酸碱度 pH<3 )下，用小于 400纳米波长的紫外光照射， 以 Fe^†或者 Fe³⁺作为催化剂，可以使水中的有机污染物的氧化降解比较完全；这是光照使反应物中产生具有更高氧化能力的羟基自由基， 从而可降解大部分有机污染物；但它对于以可见光为主的日光来说，效率必然是低下的；利用染料序体，可以使吸收的光谱红 移，在可见光照射下和铁离子催化剂存在条件下，过氧化氢可以使染料迅速降解；

另外，采用水溶性的四磺酸基酞菁铁络合物 （FePcS)或者四磺酸基酞菁锰络合物 （nPcS)作为催化剂，可见光照射在水 溶液中， 以过氧化氢做氧化剂，可以实现对水杨酸、羟基苯甲酸、罗丹明 B、结晶紫、吖啶橙等多种有机物的氧化降解；

9.2.4以臭氧作为氧化剂的光化学氧化法，可以降解多种有机和无机污染物；

臭氧是一种强氧化剂，可以氧化多种有机物和无机物；溶于污水中的臭氧，在紫外线的作用下，可以产生羟基自由基； 臭氧光解产生羟基的量子产率为 2;生成的羟基自由基是一种极强的氧化剂；它在水中的寿命极短；羟基的生成速率与溶 液的 pH值有关；溶液的酸性越强，羟基的生成速率越低；故碱性条件能提高紫外光 -臭氧体系对有机物的降解速率；向体系中 加入过氧化氢，有利于羟基自由基的生成，故也将加速体系中有机物的光氧化降解；

利用聚光照射溶液中的臭氧，可以降解氯苯、氯代苯酚等有机物；这些有机物经过氧化、开环和断裂等多种反应，最后生 产二氧化碳和水。

10、还可以采用以下方法组成各种光化学反应系统：

10. 1 日光经过光聚集器的折射凸透镜或者反射凹面镜（早晨或傍晚的日光还事先经过折射棱镜）后，到达光隔离器，再 将聚光送到光纤内进行传输后递送到低碳聚光化学反应物；或者将聚光直接递送到低碳聚光化学反应物；

10.2 日光经过光聚集器的折射凸透镜或者反射凹面镜（早晨或傍晚的日光事先经过折射棱镜）后，到达光隔离器，再由 光纤耦合器将聚光送到传输光纤内进行传输；传输一定距离之后，从传输光纤的终端递送到低碳聚光化学反应物；

' 10.3在光隔离器内壁上也可以涂一层荧光材料 ;·当荧光材料受到日光中含有的红外线照射时，会发出可见光；采用不同 性质的荧光材料，可制成能发出任何所需可见光的光源；这种可见光可以补充原来可见光的强度。