气体和光同步侧边传输的光催化空心光纤及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种气体和光同步侧边传输的光催化空心光纤及其制备方法，用于光线和气体同步传输，包括光纤纤芯、光纤包层以及光催化层；所述光纤包层包覆于光纤纤芯外周侧，所述光催化层包覆于光纤包层外周侧；所述光纤纤芯为中空结构，所述光纤纤芯的两端分别为气体输入端和光线输入端，所述气体能够通过气体输入端进入光纤纤芯内，并且能够穿过光纤纤芯与光催化层接触发生光催化还原反应；所述光线输入端具有透明的密封部，所述光线能够穿过密封部并通过光线输入端进入光纤纤芯内；本发明专利技术公开的光催化空心光纤改变了传统光纤内部光传输模式，具有纤芯和包层的空心光纤的包层可同时传输光与气体的功能，进一步提高了光催化还原反应的效率。原反应的效率。原反应的效率。

【技术实现步骤摘要】
气体和光同步侧边传输的光催化空心光纤及其制备方法


[0001]本专利技术涉及光催化光纤领域，具体涉及一种气体和光同步侧边传输的光催化空心光纤及其制备方法。

技术介绍

[0002]能源是人类社会进步的源动力，全球年能耗从2010年的172.6亿吨煤当量增长到目前的199.2亿吨煤当量，其中化石燃料能耗占比超过84%。人类对化石燃料的过度消耗不仅导致全球能源危机，还导致大量CO2排放带来的环境问题。2010年至今全球CO2年排放量超过30亿吨，且持续增加，对全球变暖贡献超过60％。目前全球已采取不同策略来减轻CO2对环境产生的影响，包括从源头减少CO2的排放、CO2的捕集和储存、电化学或光催化技术将CO2转化为可再生碳氢燃料进行再利用。
[0003]其中，光催化技术在常温常压下，利用过剩可再生能源太阳能，在半导体光催化剂界面将CO2转化的还原半反应与H2O氧化半反应相结合，实现CO2+H2O
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C
x
H
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O
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的分子转化，生产合成醇醚燃料、烷烃柴油、航空燃油等碳氢燃料。可见，利用半导体光催化技术实现CO2+H2O
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C
x
H
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O
z
的分子转化，为全球能源和环境问题提供了一种现实可行的解决方案，该技术对于推动CO2减排与可再生燃料生产，以及能源、环境与经济的可持续发展意义重大。
[0004]在固定化光催化还原CO2反应器中，光催化剂被固定在载体表面，H2O与CO2为气相。固定化光催化还原CO2技术可有效地强化光与CO2传输，提升光能利用效率、量子效率、CO2转化效率及系统运行的稳定性；极大地推动光催化还原CO2技术的发展。
[0005]然而在固定化光催化还原CO2技术中，光的传输与捕捉是固定化光催化还原CO2反应的重要限制步骤。因此，增强催化层内光传输性能及催化剂对光捕捉能力，避免光子损失，是提高光利用效率、表面电荷量与CO2转化效率的关键；同时，光催化层内反应物（CO2）的传输及其在三相反应界面处的分布特性是直接影响催化反应动力学特性及产物选择性的重要因素。
[0006]现有固定化光催化技术中光催化还原CO2反应常采用发光光纤和多通道陶瓷单体两种材料作为光催化剂的附着载体。
[0007]其中，侧发光光纤被广泛地采用，侧发光光纤能够有效地增强光传输，进而提高光能利用效率，进一步的提高光催化还原CO2的效率。对于侧发光催化光纤，光催化剂涂覆在光纤包层表面，当入射光传输至光纤包层与催化层界面时，由于催化剂的折射率大于光纤包层的折射率，入射光被折射进入催化层，并在催化层内传输并激发催化剂产生电子
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空穴对；未入射到光纤与催化剂界面的光继续沿着光纤传输；由于光催化光纤一般采用多模光纤作为光传输媒介，光纤内部传输光的模式数量多，因此可以获得整个光纤表面光的均匀辐射，实现催化剂在空间上的均匀光活化。
[0008]但现有侧发光光纤或导光光纤纤芯折射率高于光纤包层折射率，导致光束缚在光纤纤芯内部传输，光纤包层中光强弱，传输进入光纤包层表面光催化剂涂覆层中的光强弱，激发光催化剂光催化还原CO2的激发光强弱。此外现有侧发光光纤或导光光纤纤，主要采用
玻璃或塑料材料制备，材料致密度高，均无法实现在光纤表面释放CO2，从而实现对光催化层内CO2由内至外主动传输强化，限制了光催化还原CO2性能的提升。
[0009]多通道陶瓷单体被用于传输CO2研发是为了实现对光催化层内CO2分子传输强化，多通道陶瓷单体侧面能够释放CO2，能有效地改善反应器CO2分布的不均匀性；同时多通道陶瓷单体具有大比表面积，可增加光催化的负载量，进而提高反应器光催化反应CO2的效率。虽然多通道陶瓷单体具有上述诸多优点，但多通道陶瓷单体只适用于气体传输，难以实现对光的传输，即多通道陶瓷单体不能实现对光催化层内光由内至外主动传输强化，降低了光能利用效率和光催化还原CO2性能。
[0010]总结当前国内关于光催化还原CO2所涉及到的光与CO2传输介质可以看出，现有光催化光纤只能进行单一的光传输，多通道陶瓷单体只能实现单一的CO2传输，未见能同时实现光催化层由内至外的光与气体（如CO2、N2、NH3、SO2等）同时传输的光催化器件报道。

技术实现思路

[0011]本专利技术目的在于提供一种气体和光同步侧边传输的光催化空心光纤及其制备方法，以解决现有技术中的光催化还原反应所涉及到的传输介质不能同时传输光和气体导致无法提高光催化还原反应效率的技术问题。
[0012]为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：一种气体和光同步侧边传输的光催化空心光纤，用于光线和气体同步传输，包括光纤纤芯1、光纤包层2以及光催化层3；所述光纤包层2包覆于光纤纤芯1外周侧，所述光催化层3包覆于光纤包层2外周侧；所述光纤纤芯1为中空结构，所述光纤纤芯1的两端分别为气体输入端4和光线输入端5，所述气体能够通过气体输入端4进入光纤纤芯1内，并且能够穿过光纤纤芯1与光催化层3接触发生光催化还原反应；所述光线输入端5具有透明的密封部51，所述光线能够穿过密封部51并通过光线输入端5进入光纤纤芯1内。
[0013]优选的，所述光纤包层2由聚砜/SiO2/GeO2复合材料制备而成，所述聚砜/SiO2/GeO2复合材料是由聚砜、SiO2以及GeO2均匀分散于二氯甲烷中所形成的聚砜、SiO2以及GeO2复合物混合溶液制备获得。
[0014]优选的，所述光催化层3由TiO2/SiO2复合材料制备而成，所述TiO2/SiO2复合材料是由SiO2颗粒加入TiO2溶胶中制备获得。
[0015]优选的，所述光纤纤芯1直径为20～500μm，所述光纤包层2厚度为100～500μm；所述光催化层3的厚度为10～30μm。
[0016]优选的，所述气体为CO2、N2、NH3、SO2气体中的一种。
[0017]本专利技术还公开了一种气体和光同步侧边传输的光催化空心光纤的制备方法，利用如上所述光催化空心光纤，包括以下步骤：S1、制备聚砜/SiO2/GeO2复合材料，获得制备光纤包层的原材料；S2、制备TiO2/SiO2复合材料溶液，获得制备光纤光催化层的原材料；S3、利用步骤S1制备的聚砜/SiO2/GeO2复合材料，采用干
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湿法纺丝制备空心光纤；S4、将步骤S3中制备的空心光纤进行干燥后，将空心光纤的一端密封；S5、将步骤S4中一端密封的空心光纤浸入到TiO2/SiO2复合材料溶液，使空心光纤表面覆盖一层光催化膜，形成光催化层，干燥后获得光催化空心光纤。
[0018]优选的，步骤S1包括以下步骤：S1.1、将预设质量的聚砜加入预设质量的二氯甲烷中，搅拌均匀后得到聚砜/二氯甲烷混合液；所述聚砜与二氯甲烷的重量份比例范围为1:30～1:40；S1.2、向聚砜/二氯甲烷混合液中加入SiO2颗粒，搅拌均匀后得到掺杂有SiO2的聚砜/二氯甲烷混合液；所述SiO2、聚砜、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体和光同步侧边传输的光催化空心光纤，用于光线和气体同步传输，其特征在于，包括光纤纤芯(1)、光纤包层(2)以及光催化层(3)；所述光纤包层(2)包覆于光纤纤芯(1)外周侧，所述光催化层(3)包覆于光纤包层(2)外周侧；所述光纤纤芯(1)为中空结构，所述光纤纤芯(1)的两端分别为气体输入端(4)和光线输入端(5)，所述气体能够通过气体输入端(4)进入光纤纤芯(1)内，并且能够穿过光纤纤芯(1)与光催化层(3)接触发生光催化还原反应；所述光线输入端(5)具有透明的密封部(51)，所述光线能够穿过密封部(51)并通过光线输入端(5)进入光纤纤芯(1)内。2.根据权利要求1所述的气体和光同步侧边传输的光催化空心光纤，其特征在于，所述光纤包层(2)由聚砜/SiO2/GeO2复合材料制备而成，所述聚砜/SiO2/GeO2复合材料是由聚砜、SiO2以及GeO2均匀分散于二氯甲烷中所形成的聚砜、SiO2以及GeO2复合物混合溶液制备获得。3.根据权利要求1所述的气体和光同步侧边传输的光催化空心光纤，其特征在于，所述光催化层(3)由TiO2/SiO2复合材料制备而成，所述TiO2/SiO2复合材料是由SiO2颗粒加入TiO2溶胶中制备获得。4.根据权利要求1所述的气体和光同步侧边传输的光催化空心光纤，其特征在于，所述光纤纤芯(1)直径为20～500μm，所述光纤包层(2)厚度为100～500μm；所述光催化层(3)的厚度为10～30μm。5.根据权利要求1所述的气体和光同步侧边传输的光催化空心光纤，其特征在于，所述气体为CO2、N2、NH3、SO2气体中的一种。6.一种气体和光同步侧边传输的光催化空心光纤的制备方法，利用如权利要求1所述光催化空心光纤，其特征在于，包括以下步骤：S1、制备聚砜/SiO2/GeO2复合材料，获得制备光纤包层的原材料；S2、制备TiO2/SiO2复合材料溶液，获得制备光纤光催化层的原材料；S3、利用步骤S1制备的聚砜/SiO2/GeO2复合材料，采用干
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湿法纺丝制备空心光纤；S4、将步骤S3中制备的空心光纤进行干燥后，将空心光纤的一端密封；S5、将步骤S4中一端密封的空心光纤浸入到TiO2/SiO2复合材料溶液，使空心光纤表面覆盖一层光催化膜，形成光催化层...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟年丙，陈洁，廖强，解泉华，常海星，钟登杰，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：