光催化反应装置,实验型光化学反应仪利用光能的模范

植物的叶片是自然界中利用光能的模范,光催化反应装置它能够有效的利用太阳光实验型光化学反应仪来固定空气中的二氧化碳,并为植物的生长提供有机物质。科学家们一直期望能像叶片一样利用可见光进行化学物质的转换,而可见光催化的发现为这一梦想带来了希望。不过,传统的光反应往往简单的将反应装置至于可见光下,催化剂的高消光系数及光遵循朗伯比尔定律在溶液中的衰减,都使得光的利用效率大打折扣。微流控光反应器能够有效的提高光利用率,缩短反应时间,可在一定程度上解决这一问题,但其在可见光催化领域较少。


受叶片中反应活性中心附近的生色团的启发,来自荷兰埃因霍温理工大学Michael G. DebijeTimothy Noël等人巧妙的将太阳能荧光聚光器微流控光催化反应器相结合,在Angew. Chem. Int. Ed.报道了一种可高效利用全波段太阳光的连续流动光反应装置。太阳能荧光聚光器(luminescent solar concentrator, LSC)是将生色团(如荧光染料或量子点)分散在玻璃或者聚合物的导光板中,用以捕获太阳光后再将其转变为荧光光子,并导向装置边缘的一种光学器件。为了尽可能的利用紫外光区的能量,研究者们选择的LSC能够吸收低波长区的光,且其发射光恰好处于光催化剂所吸收的波长范围。实验型光化学反应仪比如在本文中,研究者们选择了LR305(一种荧光染料)作为LSC中的发光团,选择了甲基蓝作为光催化装置中的催化剂。甲基蓝的吸收峰在654 nm,光催化反应装置在550 nm以下的紫外与可见光区基本没有吸收;而LR305的吸收区在600 nm以下的紫外与可见光区,且其发射的荧光恰好处在甲基蓝的吸收区。

研究者们通过实验证实了在上述装置中甲基蓝能够有效的吸收LSC的发射光。光催化反应装置随后,他们进一步展示了这一装置的光催化效率。实验结果表明,在蓝色LED下,甲基蓝自身的光吸收被限制,此刻通过LSC吸收并转化的光能够有效驱动催化反应的进行;半遮蔽实验则表明LSC中形成的光能被有效传导至边缘处并被甲基蓝吸收用于催化反应;随着LSC中LR305掺杂量的提高,装置对光的利用率会显著提升,在最高的转换效率下(掺杂量为200 ppm),达到近似的转化率所需的光能仅为没有LSC情况下的1/10。最终结果表明,在相同的模拟太阳光下,带有LSC的微流控光催化装置能够将反应转化率提升超过4倍。http://zzqiyang.com

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