具有光学回音壁模式谐振特性的高分子微球在制备光催化剂中的应用制造技术

本发明专利技术属于半导体光催化剂制备技术领域，具体涉及一种具有光学回音壁模式谐振特性的高分子微球在制备光催化剂中的应用，本发明专利技术首次以具有光学回音壁模式谐振特性的高分子微球作为载体，于其表面负载半导体纳米颗粒用于制备光催化剂；利用高分子微球表面的光学回音壁模式谐振特性，通过连续的全内反射将光子长时间限制在高分子微球中，在全光谱内增强光与半导体纳米颗粒之间的相互作用，并在高分子微球表面形成倏逝场，将半导体纳米颗粒负载于上述高分子微球表面，便可充分利用这部分增强光场，达到增强半导体纳米颗粒光催化效果的目的，能够与不同半导体催化系统兼容，具有极高的普适性，为提升光催化系统的光捕获效率提供了一条新思路。了一条新思路。了一条新思路。

【技术实现步骤摘要】
具有光学回音壁模式谐振特性的高分子微球在制备光催化剂中的应用


[0001]本专利技术属于半导体光催化剂制备
，具体涉及一种具有光学回音壁模式谐振特性的高分子微球在制备光催化剂中的应用。

技术介绍

[0002]半导体的光催化机理为：当一束能量大于半导体能带带隙的光照射到物质表面时，半导体价带中的电子吸收能量跃迁到导带，在价带中留下空穴，电子与空穴分别迁移至表面进行氧化还原反应。从能量转化角度来说，传统半导体光催化体系包含三大基本过程：1)光子吸收过程，当入射光子能量和半导体催化剂的禁带宽度共振时，光子被吸收，同时半导体内部电子从价带跃迁到导带上，产生电子
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空穴对；2)光生电子
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空穴对的分离与表面迁移；3)传输到表面的电子和空穴分别与吸附在表面的反应物进行还原和氧化反应，实现光能到化学能的转化。因此，光吸收是光催化反应的第一步，所以提高对光的吸收能力是提高光催化效率的关键之一。然而传统半导体催化剂的光吸收截面普遍比较小，光谱响应范围窄，能够捕获并利用的光子数目非常有限，极大地妨碍了高效光催化体系的构筑。
[0003]对于半导体物质来说，通常只有当入射光子能量大于等于它的带隙时，才会产生光吸收。因此，半导体对光的捕获与它的能带结构直接相关。为了提高半导体的光吸收能力，研究者们开发了多种手段来调控半导体能带结构，拓宽它的光捕获范围，来实现其光捕获能力的提升。对半导体进行带隙加工的方式有很多，例如缺陷构造、元素掺杂、异质结构筑、染料敏化等，都是基于电子调控进行的，在改善体系光捕获效率的同时会引起催化剂本征性质的改变，并且还需要充分考虑不同催化剂各自的价带与导带位置，才可有效拓宽材料的吸收光谱进而达到较好的光催化增强效果，不利于不同半导体催化体系之间的借鉴和推广。
[0004]针对现有半导体光催化剂存在的光捕获效率不高以及不同半导体光催化体系各异而不具普适性的问题，现有研究者采用在光催化体系中引入光子晶体等特殊的光学结构，改变局部电磁场模式密度，将光束缚于微小空间并持续很长时间，这种受限的光场能够强烈地增强光
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物质之间的相互作用，延长两者之间的作用时间，提升光子被催化剂吸收利用的几率。与能带调控策略相比，光学结构的引入不改变催化剂的本征活性，主要通过控制光子的行为提升体系的光捕获效率，不需要匹配催化剂的价带和导带位置，具有极高的普适性，适用于各种催化系统。然而光子晶体这种周期性的微结构通常需要复杂精确的模板辅助制备工艺，另外，不同催化体系的光响应范围不同，对光子晶体的选择也是不一样的，必须要保证催化剂的吸收光谱与光子晶体的光子禁带重叠，否则无法发挥光子晶体的增强作用。而光子晶体的光子禁带不仅取决于其周期性的微结构，还受材料及其周围环境的折射率的影响，增加体系设计的复杂性，给光催化体系的制备和构筑增加了难度，限制了其在光催化体系中的应用和推广。
[0005]因此，开发一种提高半导体催化剂的光捕能力且具有催化体系普适性的半导体催
化剂构筑载体，对于半导体催化剂的开发应用具有重要意义。

技术实现思路

[0006]针对现有半导体光催化剂存在的问题，本专利技术提供了一种具有光学回音壁模式谐振特性的高分子微球在制备光催化剂中的应用。本专利技术以具有光学回音壁模式谐振特性的高分子微球为半导体催化剂的构筑载体，将半导体纳米颗粒负载于高分子微球的表面，高分子微球表面特殊的回音壁模式谐振腔结构不仅能够有效限域光子，而且没有光学禁带的限制，能够实现不同波段光子的谐振，利用光学结构对光子的调控作用增强催化剂与光子的相互作用从而提升其光捕获能力，进而提高半导体催化剂的催化性能，且对于不同的半导体催化体系具有极高的普适性。
[0007]基于上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种具有光学回音壁模式谐振特性的高分子微球，高分子微球的粒径为1～15μm；用于制备高分子微球的高分子材料的折射率大于1.34；高分子材料在320～1000nm的波段范围内的光损耗小于2dB/μm。
[0009]本专利技术首次从提高半导体催化剂的光捕获能力进而提升其催化性能的技术构思出发，将具有光学回音壁模式谐振特性的高分子微球用作半导体催化剂的构筑载体，利用高分子微球的光学回音壁模式谐振特性，可通过连续的全内反射将光子长时间限制在高分子微球中，在极小的空间内聚集大量的光能，入射光波传播一周后与新入射光波间的相位差等于周长整数倍时，二者干涉相长、产生谐振，可在全光谱内增强光与半导体材料之间的相互作用；并在高分子微球表面形成倏逝场，将半导体纳米颗粒负载于高分子微球表面，便可充分利用这部分增强光场，提升催化性能，并且不必针对不同半导体纳米颗粒构筑不同的周期结构，因而不会改变半导体纳米颗粒的本征电子结构、不需要匹配其能级位置，可与不同半导体催化系统兼容，具有极高的普适性，为提升光催化系统的光捕获效率提供了一条新思路。
[0010]经试验发现，选择高分子材料在320～1000nm的波段范围内的光损耗小于2dB/μm，即表明高分子材料在紫外
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可见波段对光几乎无吸收，这是作光子捕获的必要条件之一；选择其折射率大于1.34的高分子材料，这是作为将光子限域的必要条件之一。
[0011]另外，高分子微球的粒径过小则不具有谐振特征，而粒径过大则对光的限域更强，表面分布的倏逝场较小，不利于光与半导体催化剂的相互作用，降低催化效果；因此满足上述尺寸条件的表面光滑的高分子微球才能表现出优异的光学回音壁模式谐振特性，能够实现光子以连续全反射方式沿微球的内表面传播，实现光子的谐振和限域，显著提高了半导体催化剂的光捕获能力，进而表现为光催化效率的提升。
[0012]优选地，高分子材料为聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。
[0013]由于聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯柔韧性好，非常适合自组装形成各向同性的球形结构，并且，聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯在紫外
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可见波段对光几乎无吸收，光损耗较小，有利于光子的谐振。
[0014]第二方面，本专利技术提供一种制备上述具有光学回音壁模式谐振特性的高分子微球的方法，包括如下步骤：
[0015]S1：向苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯中加入交联剂、引发剂作为油相；
[0016]S2：将含表面活性剂的水溶液作为水相；
[0017]S3：将油相加入水相进行剪切乳化，于60℃～95℃下引发聚合反应，经离心、洗涤收集沉淀即可得到聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球。
[0018]苯乙烯单体溶液或甲基丙烯酸甲酯单体溶液与表面活性剂的水溶液在剪切作用下发生乳化，形成稳定的水包油乳液。在各向同性的界面张力驱动下，油相胶粒呈球状，在加热的过程中，油相中的引发剂发生分解，产生自由基，引发单体的聚合和交联反应。由于聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯的柔韧性好，不易结晶，最终会在球状油相胶粒的诱导下形成微球结构。
[0019]优选地，交联剂为二乙烯基苯；引发剂为偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰；表面活性剂为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有光学回音壁模式谐振特性的高分子微球，其特征在于，所述高分子微球的粒径为1～15μm；用于制备高分子微球的高分子材料的折射率大于1.34；所述高分子材料在320～1000nm的波段范围内的光损耗小于2dB/μm。2.如权利要求1所述的高分子微球，其特征在于，用于制备所述高分子微球的高分子材料为聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。3.一种制备权利要求1所述具有光学回音壁模式谐振特性的高分子微球的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：向苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯中加入交联剂、引发剂作为油相；S2：将含表面活性剂的水溶液作为水相；S3：将油相加入水相进行剪切乳化，于60℃～95℃下引发聚合反应，经离心、洗涤收集沉淀即可得到聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基磺酸钠或十二烷基苯磺酸钠；所述水相中表面活性剂的浓度为0.1～0.7mg/mL。5.权利要求1或2所述具有光学回音壁模式谐振特性的高分子微球在制备光催化剂中的应用。6.一种光催化剂，其特征在于，所述光催化剂由权利要求1或2所述具有光学回音壁模式谐振特性的高分子微球经表面修饰后，于高分子微球表面负载半导体纳米颗粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏丛，李美萱，赵瑞丽，刘佳晖，许群，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：