一种基于光子晶体催化反应的微纳尺度红外光源及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种基于光子晶体催化反应的微纳尺度红外光源及其应用，该光源包括微型反应腔，以及依次设置在微型反应腔内部底表面的温控台、基底与催化剂阵列，所述微型反应腔的顶表面上正对催化剂阵列的区域布置有红外透光玻璃，所述微型反应腔的两侧分别设有混合气体进气口和混合气体出气口，纳米催化剂阵列催化反应时发热/吸热从而发射红外光，催化剂阵列自身同时作为光子晶体调制红外光发射。与现有技术相比，本发明专利技术通过调节混合气体流量，可调节红外光波长，同时，通过光子晶体结构定制，可使发射的红外光功能化。可使发射的红外光功能化。可使发射的红外光功能化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光子晶体催化反应的微纳尺度红外光源及其应用


[0001]本专利技术属于红外光源
，涉及一种基于光子晶体催化反应的微纳尺度红外光源。

技术介绍

[0002]红外光源在医疗诊断、生物分子传感、空间通讯、环境监测、光谱成像、红外对抗等关键技术中具有重要的应用意义。这项技术面临的挑战之一是如何获得宽波谱、高功率的红外光，尤其是中红外波长的光。
[0003]红外光源通常可来源于激光、二极管和热辐射。激光和二极管发射的红外光波段有限，热发射体发射的红外光波段宽，但通常为准各向同性，可调性较差。根据普朗克定律，通过调节热发射体的温度可以调控红外线发射的波长和功率。传统方式通常通过电致加热来对热辐射体整体进行加热，或利用特定波长的光来激发特定波段的红外光，这样不仅对目标材料的带隙提出了苛刻的要求，发射的红外光波段受限等。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了提供一种基于光子晶体催化反应的微纳尺度红外光源，。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种基于光子晶体催化反应的微纳尺度红外光源，包括微型反应腔，以及依次设置在微型反应腔内部底表面的温控台、基底与催化剂阵列，所述微型反应腔的顶表面上正对催化剂阵列的区域布置有红外透光玻璃，所述微型反应腔的两侧分别设有混合气体进气口和混合气体出气口。
[0007]进一步的，所述催化剂阵列为光子晶体阵列，其由若干催化剂单元以阵列状排布而成，每个催化剂单元由在所述基底上从下到上纵向组装的绝热层和催化层组成。绝热层可最大限度避免催化反应产生/吸收的热量向基底传导，从而维持催化层的温度。同时，绝热层具有负载催化层的作用，可改进增强催化层活性。
[0008]更进一步的，所述催化层为N层结构，其中，N≥1；且当N≥2时，所述催化层的纵向结构为周期性或非周期性的多层结构。
[0009]更进一步的，所述催化层中的每一层均独立的选自金属及其合金化合物、氧化物、过渡金属硫族化合物、有机高分子、硅、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种的复合。更具体的，金属可以为Pt、Pd、Rh、Au、Ag、Cu、Fe、Co、Ni、Al、Mn等，氧化物可以为Al2O3、SiO2等。
[0010]更进一步的，所述绝热层的厚度为5nm～500μm；所述催化层的纵向高度为1nm～200μm。另外，催化剂的径向尺寸即为催化剂直径。
[0011]更进一步的，所述的催化剂单元呈圆形或边数为M的多边形，其中，M≥3。此处，催化剂单元可以通过使用电子束光刻、紫外光刻、硬掩模法、3D打印等技术实现图形化阵列。而催化层可以采用物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积、溶液合成、印刷等方法制备得到。
[0012]进一步的，所述混合气体用于在催化剂阵列的催化作用下发生放热或吸热反应，所述混合气体为反应气体与空气的混合物。
[0013]更进一步的，所述反应气体为氢气、甲醇、乙醇或甲烷等。
[0014]更进一步的，所述的放热或吸热反应导致温度变化在室温至600℃以上，对应释放的红外线中心波长在3～10μm。调节气体流量可调节温度变化，进而调节红外线波长。
[0015]进一步的，所述催化剂阵列的光子晶体结构为二维光子晶体，设计组成催化剂阵列的材料与催化剂单元x
‑
y平面内的周期性间距，可实现特定频率的红外光沿z方向汇聚定向发射。具体的，调节包括两方面：1.不同材料：不同材料的光学参数不一样，对不同波长的光的吸收、发射不同；2.特定间距的周期性结构的光子晶体可滤除或增强特定波长的光。
[0016]进一步的，所述微型反应腔的尺寸为厘米尺寸；所述的基底满足承载催化剂的功能即可，其可以为玻璃等。
[0017]总的来说，本专利技术提出的基于光子晶体阵列催化剂催化反应的微纳尺度红外光源，将催化剂与光子晶体结构相结合。通过调节混合气体的流量，催化剂上发生催化反应改变催化剂自身温度，从而发出波长可调的红外光，并可作为微纳尺度的红外点光源阵列。催化剂自身的光子晶体结构定制则可调制红外光功能化，如定向发射。本专利技术红外光源小紧凑、便携，可拓展更多新颖的潜在应用场景。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0019](1)本专利技术的催化剂阵列催化效果优于薄膜，节省催化剂用量。
[0020](2)本专利技术的红外光由催化剂通过催化反应实现自身温度调节以发射红外波长，红外波长范围宽，可由气体流量调节。
[0021](3)本专利技术的催化剂阵列本身为光子晶体结构，可实现红外光源多功能调制，如定向发射。
[0022](4)本专利技术的催化剂实现的红外光源在微纳尺度，在诸多领域具有重大的潜在应用价值。
附图说明
[0023]图1为本专利技术基于光子晶体催化反应的微纳尺度红外光源的装置示意图；
[0024]图2为实施例1制造的Pt/Al2O3催化剂阵列过程图。
[0025]图3为实施例1制造的Pt/Al2O3催化剂阵列的扫描电子显微镜图。
[0026]图4为实施例2制造的Pt/Al2O3催化剂阵列与薄膜催化甲醇转换效率。
[0027]图5为实施例3制造的Pt/Al2O3催化剂阵列与薄膜催化温度升高。
[0028]图6为实施例3制造的Pt/Al2O3薄膜催化反应红外发射波长探测。
[0029]图7为实施例4制造的Pt/Si催化剂阵列光子晶体结构设计(a)及其4.95μm红外定向发射(d)模拟结果。
[0030]附图标记：
[0031]1‑
混合气体进气口；2
‑
微型反应腔；3
‑
温控台；4
‑
红外透光玻璃；5
‑
催化剂阵列；6
‑
基底；7
‑
混合气体出气口。
具体实施方式
[0032]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0033]以下各实施例中，如无特别说明的功能部件或处理技术，则表明其为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或结构，或为本领域的常规技术。
[0034]下面先对各实施例所用的微纳尺度红外光源装置进行说明。
[0035]本专利技术提供的一种基于光子晶体催化反应的微纳尺度红外光源，其结构参见图1所示，包括微型反应腔2，以及依次设置在微型反应腔2内部底表面的温控台3、基底6与催化剂阵列5，微型反应腔2的顶表面上正对催化剂阵列5的区域布置有红外透光玻璃4，微型反应腔2的两侧分别设有混合气体进气口1和混合气体出气口7；催化剂阵列5由若干催化剂单元以阵列状排布而成，每个催化剂单元由在基底6上从下到上纵向组装的绝热层和催化层组成，温控台3的作用用于启发催化反应。
[0036]下面基于上述装置采用具体的实施例对本专利技术进行更详细的说明。
[0037]实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光子晶体催化反应的微纳尺度红外光源，其特征在于，包括微型反应腔，以及依次设置在微型反应腔内部底表面的温控台、基底与催化剂阵列，所述微型反应腔的顶表面上正对催化剂阵列的区域布置有红外透光玻璃，所述微型反应腔的两侧分别设有混合气体进气口和混合气体出气口。2.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体催化反应的微纳尺度红外光源，其特征在于，所述催化剂阵列为二维光子晶体阵列，其由若干催化剂单元以阵列状在基底的x
‑
y平面内排布而成，每个催化剂单元由在所述基底上从下到上纵向组装的绝热层和催化层组成。3.根据权利要求2所述的一种基于光子晶体催化反应的微纳尺度红外光源，其特征在于，所述催化层为N层结构，其中，N≥1；且当N≥2时，所述催化层的纵向结构为周期性或非周期性的多层结构。4.根据权利要求3所述的一种基于光子晶体催化反应的微纳尺度红外光源，其特征在于，所述催化层中的每一层均独立的选自金属及其合金化合物、氧化物、过渡金属硫族化合物、有机高分子、硅、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种的复合。5.根据权利要求3所述的一种基于光子晶体催化反应的微纳尺度红外光源，其特征在于，所述绝热层的厚度为5nm～500μ...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡志宇，吴振华，张帅，刘泽昆，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：