[发明专利]光催化空心石英光纤以及制作方法

说明书

本发明公开了光催化空心石英光纤以及制作方法；一种光催化空心石英光纤，包括光纤纤芯和包裹光纤纤芯的光纤包层；其特征在于：光纤纤芯为空气；光纤包层为石英；在光纤包层的外表面设置有光纤涂覆层，该光纤涂覆层设置为斜坡状，且光纤的光输入端的外径小于光纤尾端的外径；光纤涂覆层为Er³⁺:YAlO₃/SiO₂/TiO₂复合光催化薄膜；本发明具有优良的可见光响应特性，光能利用效率高，光催化效率高，光催化活性强；具有耐腐蚀、价格低廉、可重复使用等优点；进一步改善了光束在光纤包层与光催化涂覆层之间的传输模式，从而增强了光纤表面光催化性能的均匀性；本发明制作方法简单，结构独特，可广泛应用于生物、能源、环保等领域。

技术领域

本发明涉及空心光纤，具体涉及光催化空心石英光纤以及制作方法。

背景技术

光催化技术由于具有效率高、能耗低、污染少、价格低廉、适用范围广和有深度氧化能力等诸多优点，从20世纪70年代起逐步发展为一门重要的新兴环保技术。在光催化反应体系中最重要的物质为光催化半导体材料，在光催化半导体材料中，TiO₂纳米材料带隙大(约为3.2eV)，在光诱导下产生的电子和空穴还原和氧化能力强，超过普通氧化剂的氧化能力；同时TiO₂光催剂可直接利用太阳光中的紫外光谱将许多水环境中难生物降解的有机物彻底矿化为CO₂、H₂O和无机离子；因而在环境治理与污染物消除领域TiO₂光催剂受到广泛地关注。虽然TiO₂光催剂具有上述诸多优点，但是在传统光催化反应体系中TiO₂呈悬浮态，需动力搅拌维持悬浮，能耗高；同时由于TiO₂纳米颗粒比重小，要实现催化剂的回收再利用，一般需采取过滤、离心、沉淀和混凝等方法，这些方法操作繁琐，不易实现连续作业；此外，由于TiO₂纳米颗粒悬浮于反应体系，增加了光传输阻力，影响了光束在反应体系中的传输光程，导致TiO₂光催化反应体系受光能限制显著。这一系列的原因促使TiO₂悬浮态光催化技术难以用于大型工业生产，目前仅限于实验研究。

为了克服悬浮相光催化体系中光催化剂易凝聚、难回收、催化活性低，且反应体系受光限制的缺点，TiO₂光催化材料负载技术引起了研究学者们广泛地关注。其原因在于：①将TiO₂光催化剂附着在比表面积大的载体表面，不仅可以增大光催化剂的有效作用面积也可以抑制催化剂的团聚，进而增大催化剂对光能的有效利用率；②将TiO₂光催化剂固定在载体表面可以实现固液两相分离，阻止催化剂损与难以回收的难题。③如将TiO₂光催化剂固定在半导体材料表面，将在催化剂与载体之间形成半导体复合关系，促进电子与空穴的分离，提高光催化活性。④如将TiO₂光催化剂固定在光纤载体表面，由于光纤载体具有优良的光传输能力、且具有大的禁带宽度，可以使光生电子利用隧穿效应通过只有几个原子层的绝缘层到达TiO₂导带，从而有效地抑制电子-空穴对的复合；因此，当采用光纤作为TiO₂光催化剂的附着载体时，不仅可以解决光催化反应体系光限制的问题，还可以提高光催化剂的活性。目前，用于TiO₂光催化剂固定的常用载体主要包括无机材料载体、有机材料载体和可磁性分离载体如Fe₃O₄/SiO₂、CoFe₂O₄、NiFe₂O₄等磁性复合材料。在这些材料中光纤为固定TiO₂光催化剂最为有效的载体之一，其原因在于光纤光传输性能好，能直接将光能传递给光催化剂，光能传质阻力小、光能利用效率高，同时光纤材料为绝缘材料，禁带宽度大，能有效的抑制电子-空穴对的复合，提高光催化剂的催化活性。