一种基于三维圆柱形跨尺度结构阵列的光催化反应器及其制备方法。在玻璃基底上将光纤纤芯以250μm或375μm的间距排列，并用PDMS胶单端固定形成第一层光纤纤芯阵列；在垂直于该层光纤纤芯阵列方向上用同样方法制备第二层光纤纤芯阵列；在垂直于第二层光纤纤芯阵列方向上用同样方法制备第三层光纤纤芯阵列，在上述两层和三层三维光纤纤芯阵列上基于水浴法合成ZnO纳米线，最终得到层数和节距确定、表面形貌和光催化性能可控的三维圆柱形跨尺度结构阵列。该方法不但制作成本低、操作简便，而且显著地增大了基底面积、保证了光纤纤芯阵列的精度。在三维光纤纤芯阵列表面上合成ZnO纳米线薄膜，得到三维圆柱形跨尺度结构阵列，进一步增大了催化剂表面面积。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光催化
，主要应用于化工、材料、医学、生物、环境保护等领域中污染水质的净化处理，特别涉及。
技术介绍
污染水质的净化处理可分为物理化学法、生物法和光催化法,其中物理化学法成本较高，生物法对难降解的有机物处理效率低，而光催化法则具有高效率、低成本等优点。光催化技术是以某些半导体材料为催化剂，并通过其对光的吸收作用而使水中污染物发生降解，进而实现污染水质的净化处理。半导体催化剂主要包括金属氧化物和硫化物，TiO2和ZnO为两种有代表性的光催化剂，它们均具有氧化能力强、抗光腐蚀、耐酸碱、物理化学性质稳定、无毒、成本低等特点。此外和TiO2相比，ZnO具有更高的量子效率和光催化效率，因此基于ZnO催化剂的光催化污染水质处理技术正受到越来越多的关注。由于在使用过程中不易将粉末状的ZnO催化剂和反应介质分离，因此需要将其制备在相应的基底上。这样不但能确保ZnO催化剂处于分散状态，而且避免了烧结工序；另外有些基底本身也参与了电荷分离和反应物吸附等催化反应过程。因此在不同基底上制备ZnO纳米结构就成为光催化法的一个重要研究内容。例如北京大学的冯英杰和苏州大学的陈鹏用水浴法在氧化铟锡(ITO)玻璃、无水硅酸和聚酯薄膜上合成ZnO纳米棒；华东师范大学的白伟用热分解法在铜板基底上、泰国纳米科技卓越中心的Baruah用水浴法在聚乙烯纤维上、西班牙的Vu用水浴法在不锈钢过滤网上分别合成了 ZnO。上述制备方法中，所用基底主要为平面、圆柱体和单层矩形网格结构，从而使催化面积受到限制，催化效果尚需进一步提闻。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供。本专利技术制得的三维圆柱形跨尺度结构阵列进一步增大了催化剂表面面积，不但其层数、节距、表面形貌和光催化特性可控，而且制造设备及工艺要求简单，成本低。为达到上述目的，本专利技术的基于三维圆柱形跨尺度结构阵列的光催化反应器，包括玻璃基底以及固定在玻璃基底上的第一层三维光纤纤芯阵列，在第一层三维光纤纤芯阵列上设置有一层或两层三维光纤纤芯阵列，相邻两层的三维光纤纤芯阵列垂直设置，各层三维光纤纤芯阵列的每一根光纤纤芯上生长有ZnO纳米线薄膜。所述的各层三维光纤纤芯阵列一端均通过PDMS胶固定在玻璃基底上。所述的玻璃基底的长度为25mm，宽度为25mm，厚度为1mm。所述的光纤纤芯的长度为20mm、直径为Φ 125 μ m,相邻两光纤纤芯节距为250 μ m或 375 μ m。所述的ZnO纳米线薄膜采用水浴法在光纤纤芯表面法向方向合成。本专利技术的制备方法，包括以下步骤:I)按PDMS (聚二甲基硅氧烷):固化剂为10:1的质量比配制PDMS溶液；2)将多根光纤纤芯按节距为250 μ m或375 μ m的间距排列在玻璃基底上，并在其一端滴PDMS溶液，待PDMS溶液固化成PDMS胶后即在玻璃基底上形成第一层三维光纤纤芯阵列；3)在第一层三维光纤纤芯阵列上并沿其垂直方向按节距为250 μ m或375 μ m的间距排列第二层三维光纤纤芯阵列，并在其单端滴PDMS溶液，待PDMS溶液固化成PDMS胶将单端固定的第二层三维光纤纤芯阵列设置在第一层三维光纤纤芯阵列的上端；或在第一层三维光纤纤芯阵列上并沿其垂直方向按节距为250 μ m或375 μ m的间距排列第二层三维光纤纤芯阵列，并在其单端滴PDMS溶液，待PDMS溶液固化成PDMS胶将单端固定的第二层三维光纤纤芯阵列设置在第一层三维光纤纤芯阵列的上端；然后再在第二层三维光纤纤芯阵列上沿其垂直方向按节距为250 μ m或375 μ m的间距排列第三层三维光纤纤芯阵列，并在其单端滴PDMS溶液，待PDMS溶液固化成PDMS胶将单端固定的第三层三维光纤纤芯阵列设置在第二层三维光纤纤芯阵列的上端；4)配制Zn2+浓度为lmmol/L的ZnO纳米线种子层溶液，并将步骤3)得到的三维光纤纤芯阵列浸泡在ZnO纳米线种子层溶液中完成种子层溶液的沉积；5)配制Zn2+浓度为25mmol/L的ZnO纳米线生长溶液；6)采用水浴法在步骤4)沉积有种子层的三维光纤纤芯阵列上制备ZnO纳米线薄膜；7)对三维光纤纤芯阵列组件进行清洗和干燥，得到2层或3层节距为250 μ m或375 μ m的三维圆柱形跨尺度结构阵列的光催化反应器。所述的光纤纤芯的长度为20mm,直径为Φ 125 μ m并米用丙酮浸泡。所述的各层三维光纤纤芯阵列是将多根光纤纤芯紧密排列，在其一端滴PDMS溶液，待PDMS溶液固化成PDMS胶后，再在采用抽取的方式得到节距为250 μ m或375 μ m的三维光纤纤芯阵列。所述步骤4)种子层溶液的沉积是将三维光纤纤芯阵列浸泡在ZnO纳米线种子层溶液中并保持1- 2min，取出后在120°C退火lOmin，浸泡和退火过程重复三次，完成种子层溶液的沉积。所述步骤6)制备ZnO纳米线薄膜是将步骤4)得到的表面沉积有种子层的三维光纤纤芯阵列置于ZnO纳米线生长溶液中并密封后，放入水浴锅中于90°C生长150min得到生长有ZnO纳米线薄膜的三维光纤纤芯阵列。本专利技术在玻璃基底上逐层且相互垂直地排列多层光纤纤芯，并将其视为定位夹具，得到三维光纤纤芯阵列，其节距和层数可随需要的改变而改变。该方法不但制作成本低、操作简便，而且显著地增大了基底面积、保证了光纤纤芯阵列的精度。基于水浴法在三维光纤纤芯阵列表面上合成ZnO纳米线薄膜，进一步增大了催化剂表面面积，最终得到光催化特性可控的三维圆柱形跨尺度结构阵列。【附图说明】图1为本专利技术玻璃基底上紧密排列并单端固定的第一层光纤纤芯的结构示意图；图2为本专利技术具有特定节距的第一层光纤纤芯阵列图，其中图2a的节距为250 μ m，图2b的节距为375 μ m ;图3具有特定节距的二层光纤纤芯阵列的结构示意图，其中图3a的节距为250 μ m，图3b的节距为375 μ m ;图4具有特定节距的三层光纤纤芯阵列的结构示意图，其中图4a的节距为250 μ m，图4b的节距为375 μ m ;；图5为基于三维圆柱形跨尺度结构阵列的光催化反应器具有二层和三层三维光纤纤芯阵列的结构示意图，其中图5a为节距为250 μ m的具有二层三维光纤纤芯阵列的结构示意图，图5b为节距为375 μ m的具有二层三维光纤纤芯阵列的结构示意图，图5c为节距为250 μ m的具有三层三维光纤纤芯阵列的结构示意图，图5d为节距为375 μ m的具有三层三维光纤纤芯阵列的结构示意图；图6a为图3b的侧视图，图6b为图5b侧视图。【具体实施方式】以下结合附图及实施例对本专利技术作进一步的详细说明:本专利技术的制备方法如下:I)取长度为20mm的双模光纤多根，用丙酮浸泡15min，并从光纤塑料包层中抽出直径为Φ 125 μ m的光纤纤芯；2)对多根光纤纤芯分别用无水酒精、去离子水超声清洗5min ；3)按照PDMS、固化剂两者质量之比为10:1配制PDMS溶液；4)对25mmX 25mmX Imm玻璃基底I分别用无水酒精、去离子水超声清洗5min,然后在室温下干燥处理；5)采用手工方法将多根光纤纤芯紧密排列在玻璃基底I上，并在其一端滴PDMS溶液，待其固化成PDMS胶2，从而将紧密排列的多根光纤纤芯一端固定，结构如图1所示；6)将步骤5)得到的紧密排列的光纤纤芯采用抽本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于三维圆柱形跨尺度结构阵列的光催化反应器，其特征在于：包括玻璃基底（1）以及固定在玻璃基底（1）上的第一层三维光纤纤芯阵列（3），在第一层三维光纤纤芯阵列上设置有一层或两层的三维光纤纤芯阵列，相邻两层的三维光纤纤芯阵列垂直设置，各层三维光纤纤芯阵列的每一根光纤纤芯上生长有ZnO纳米线薄膜（4）。
【技术特征摘要】
1.一种基于三维圆柱形跨尺度结构阵列的光催化反应器，其特征在于:包括玻璃基底(O以及固定在玻璃基底(I)上的第一层三维光纤纤芯阵列(3)，在第一层三维光纤纤芯阵列上设置有一层或两层的三维光纤纤芯阵列，相邻两层的三维光纤纤芯阵列垂直设置，各层三维光纤纤芯阵列的每一根光纤纤芯上生长有ZnO纳米线薄膜(4)。2.根据权利要求1所述的基于三维圆柱形跨尺度结构阵列的光催化反应器，其特征在于:所述的各层三维光纤纤芯阵列一端均通过，PDMS胶(2)固定在玻璃基底(I)上。3.根据权利要求1所述的基于三维圆柱形跨尺度结构阵列的光催化反应器，其特征在于:所述的玻璃基底(I)的长度为25mm，宽度为25mm，厚度为1mm。4.据权利要求1所述的基于三维圆柱形跨尺度结构阵列的光催化反应器，其特征在于:所述的光纤纤芯的长度为20mm、直径为Φ 125 μ m,相邻两光纤纤芯节距为250 μ m或375 μ m。5.根据权利要求1所述的基于ZnO纳米线的三维圆柱形跨尺度结构阵列，其特征在于:所述的ZnO纳米线薄膜(4)采用水浴法在光纤纤芯表面法向方向合成。6.一种基于三维圆柱形跨尺度结构阵列的光催化反应器的制备方法，其特征在于包括以下步骤: 1)按PDMS:固化剂为10:1的质量比配制PDMS溶液； 2)将多根光纤纤芯按节距为250μ m或375 μ m的间距排列在玻璃基底(I)上，并在其一端滴PDMS溶液，待PDMS溶液固化成PDMS胶(2)后即在玻璃基底(I)上形成第一层三维光纤纤芯阵列(3); 3)在第一层三维光 纤纤芯阵列(3)上并沿其垂直方向按节距为250μ m或375 μ m的间距排列第二层三维光纤纤芯阵列(5)，并在其单端滴PDMS溶液，待PDMS溶液固化成PDMS胶(2)将单端固定的第二层三维光纤纤芯阵列(5)设置在第一层三维光纤纤芯阵列(3)的上端; 或在第一层三维光纤纤芯阵列(3)上并沿其垂直方向按节距为250 μ m或375 μ m的间距排列第二层三维光纤纤芯阵列，并在其单端滴PDMS溶液，待PDMS溶液固化成PDMS胶(2)将单端固定的第二层三维光纤纤...
【专利技术属性】
技术研发人员：景蔚萱，齐含，成妍妍，蒋庄德，王兵，陈路加，周帆，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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