一种用于光催化的实验器具的制作方法

[0001]
本发明涉及实验室器具领域，更具体涉及一种用于光催化的实验器具。


背景技术：

[0002]
光催化是藤岛昭教授在1967年的一次试验中，对放入水中的氧化钛单晶进行紫外灯照射，结果发现水被分解成了氧和氢而发现的。通俗意义上讲触媒就是催化剂的意思，光触媒顾名思义就是光催化剂。催化剂是加速化学反应的化学物质，其本身并不参与反应。光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的化学物质的统称。光催化的原理是利用光来激发二氧化钛等化合物半导体，利用它们产生的电子和空穴来参加氧化—还原反应。 当能量大于或等于能隙的光照射到半导体纳米粒子上时，其价带中的电子将被激发跃迁到导带，在价带上留下相对稳定的空穴，从而形成电子—空穴对。由于纳米材料中存在大量的缺陷和悬键，这些缺陷和悬键能俘获电子或空穴并阻止电子和空穴的重新复合。这些被俘获的电子和空穴分别扩散到微粒的表面，从而产生了强烈的氧化还原势。
[0003]
光催化原理是基于光催化剂在光照的条件下具有的氧化还原能力，从而可以达到净化污染物、物质合成和转化等目的。通常情况下，光催化氧化反应以半导体为催化剂，以光为能量，将有机物降解为二氧化碳和水。因此光催化技术作为一种高效、安全的环境友好型环境净化技术，对室内空气质量的改善已得到国际学术界的认可。光催化剂的种类其实很多，包括二氧化钛，氧化锌，氧化锡，二氧化锆，硫化镉等多种氧化物硫化物半导体，另外还有部分银盐，卟啉一等也有催化效应，但他们基本都有一个缺点
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存在损耗，即反应前和反应后其本身会出现消耗，而且它们大部分对人体都有一定的毒性。21世纪所知的最有应用价值的光催化材料，就是二氧化钛。半导体二氧化钛的光化学性能已使其可用于许多领域，如空气、水和流体的净化。而在实验室对有关半导体二氧化钛的光催化实验中，由于粉尘与干扰光的影响，在很大程度上改变了实验数据的精确性。
[0004]
有鉴于此，有必要对现有技术中的用于光催化的实验器具予以改进，以解决上述问题。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于公开一种用于光催化的实验器具，用以实现提高光催化反应效率，提升实验数据的精确性，防止实验过程中过多的干扰条件影响实验结论，更完善地实现化学合成与转化。
[0006]
为实现上述目的，本发明提供了一种用于光催化的实验器具，包括：遮光装置，悬挂设置于遮光装置内部的紫外线照射器，容置于遮光装置内部的第一透光件与第二透光件；所述第一透光件的表面形成包含有二氧化钛涂层的若干凸起部，所述第一透光件具有凸起部的一面与所述第二透光件相贴合，所述第一透光件与第二透光件的侧端相平齐，并通过凝胶形成密封结构，相邻所述凸起部之间具有间隙，并通过间隙在第一透光件与第二
透光件之间形成供溶液或气体流通的流动通道。
[0007]
作为本发明的进一步改进，所述凸起部呈曲线形纵向间隔排布，并形成贯通的线形的流动通道。
[0008]
作为本发明的进一步改进，所述凸起部呈点阵状排布，且呈分散式的流动通道。
[0009]
作为本发明的进一步改进，所述流动通道形成对向分布于第一透光件与第二透光件的两端的输送端与输出端，所述输送端与输出端分别嵌设有第一软管与第二软管。
[0010]
作为本发明的进一步改进，所述流动通道自输送端至输出端呈逐渐收缩的趋势。
[0011]
作为本发明的进一步改进，所述紫外线照射器为条状或筒状并呈区域排布，且所述紫外线光聚焦于所述凸起部。
[0012]
作为本发明的进一步改进，所述第一透光件在背离凸起部的一面和/或第二透光件的外表面形成凹槽，所述凹槽形成一定的折射角，供紫外线光最大化的聚焦于凸起部的侧部。
[0013]
作为本发明的进一步改进，所述折射角大于45度且小于90度。
[0014]
作为本发明的进一步改进，所述遮光装置内部还设有与第一软管相配接的液压推进装置以及与第二软管相配接的真空收集装置。
[0015]
作为本发明的进一步改进，所述第一软管设有流量调节器以控制反应速度。
[0016]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）利用透光件的透光性，在第一透光件的表面形成包含有二氧化钛涂层的若干凸起部，形成反应区，通过在第一透光件具有凸起部的一面贴合第二透光件，形成闭合的若干流动通道，在第一透光件与第二透光件的侧端之间注入凝胶以形成相对密封的结构，可以做到一定的气密性，增加了反应对象的范畴，不仅仅适用液体，还可适用气体。除此之外，气密性结构能够避免反应过程中来自外界杂质的干扰以及受反应气体或液体的外泄。同时，在遮光的环境下，进行紫外线照射，通过调动紫外线照射强度达到实施光催化反应条件，密封结构能够极大地提升实验的安全性以及实验数据的准确性。
[0017]
（2）若干包附有二氧化钛涂层的凸起部相间隔所形成的细微的流动通道，微流控制反应能够提高化学合成反应面积的占比，从而进一步提高反应效率。通过液压推进装置的控制，在保证反应充分的情况下，还能对反应进程起到一定的控制作用。
[0018]
（3）第一透光件与第二透光件外表面凹槽的设置可起到折射光的作用，照向透光件的紫外线通过凹槽形成一定角度的折射，多次折射，增加了光催化反应中紫外线光照射凸起部的照射量，提高了注入流动通道内部的液体或气体发生反应的效率。
[0019]
（4）第一透光件可更替使用，材质普遍，成本低，制作周期短，有规模化应用的潜力。
附图说明
[0020]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；图1为本发明一种用于光催化的实验器具的主视示意图，且忽视遮光装置的门；
图2为本发明一种用于光催化的实验器具中的第一透光件，第一软管，第二软管，液压推进装置，真空收集装置的装配关系示意图；图3为本发明一种用于光催化的实验器具中遮光装置的结构示意图；图4为实施例一中第一透光件的立体图；图5为实施例二中第一透光件的立体图。
[0021]
图中：1、遮光装置；2、紫外线照射器；3、第一透光件；4、第二透光件；5、凸起部；6、间隙；7、流动通道；8、输送端；9、输出端；10、第一软管；11、第二软管；12、凹槽；13、液压推进装置；14、真空收集装置；15、流量调节器；16、观察窗。
具体实施方式
[0022]
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
[0023]
该光催化实验器具用于对某类气体或液体的合成、催化反应。
[0024]
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“水平”、“纵向”、“内”、“对向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。特别注意的是，术语“纵向”是第一透光件表面沿长度的方向，术语“水平”是与第一透光件或第二透光件平行的方向。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“若干”的含义是两个或两个以上。
[0025]
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
[0026]
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
[0027]
实施例一：参图1至图5所揭示的本发明一种用于光催化的实验器具的一种具体实施方式。
[0028]
在本实施例中，一种用于光催化的试验器具，包括：遮光装置1，悬挂设置于遮光装置1内部的紫外线照射器2，容置于遮光装置1内部的第一透光件3与第二透光件4。遮光装置1内部具有可容纳空间，在本发明中使用的是箱体结构，且外部涂有深色颜料，能够起到遮光的作用。
[0029]
具体的，参图1以及图3所示，遮光装置1还开设观察窗16，供实验过程中，观察员及时作出观察以及后续的反应动作。除此之外还可采用幕布遮挡的形式做到遮蔽光源的效果，以达到相同的目的。本实施例中采用的是推拉门。紫外线照射器2提供紫外线光源，并能够将光源尽可能的投射于凸起部5，为实验提供必要的光照基础，为反应的发生提供必要的反应条件。紫外线光源采用可调节光照强度模式，使反应所需要的紫外线照射量达到一定
的可控性，线性的梯度的改变紫外线照射强度，照射时长，从而满足实验的多种需求。紫外线照射器2为条状或筒状并分布于遮光装置1的内壁。本实施例采用的是将紫外线照射器2倾斜排布于遮光装置1的内壁并靠上端处，使紫外线照射光可倾斜的打在透光件上，由于第一透光件3的反应区在涂有二氧化钛涂层的地方，即第一透光件3与第二透光件4形成的夹层中，且与第一透光件3或第二透光件4垂直的方向，倾斜的投射紫外线光，从而达到最大的紫外线投射面积，透光件本身的透明材质，往往具有一定的光反射性，一定程度上，倾斜布置可减少相应的反射几率，避免了紫外线发生不必要的衰减。第一透光件3与第二透光件4均放置于遮光装置1的内部，可水平布置，本实施例所采用的是水平布置，且第一透光件3在上，第二透光件4在下，以避免紫外线光穿过第二透光件4，从而发生过多的折射以及消耗现象。第一透光件3与第二透光件4之间形成的流动通道7为本发明进行实验的反应器中心。第一透光件3或第二透光件4可采用透明玻璃、透明塑料等材质组成。
[0030]
第一透光件3的表面形成包含有二氧化钛涂层的若干凸起部5，相邻凸起部5之间形成间隙6。间隙6是为了形成必要的流动通道7。光催化反应的发生需要三要素的叠合，第一：紫外线光的照射下，第二：具有光催化剂如本发明中使用的二氧化钛，第三：可与被催化合成的物质接触，为了保证必要的二氧化钛涂层与受反应对象的接触，需要使得相邻凸起部5之间形成一定的间隙6，一方面为保证实验所需的环境，另一方面，要保证可以获得最大的接触比，即反应效率的最大化。在第一透光件3与第二透光件4相贴合的情况下组合成若干条分散的流动通道7。流动通道7的侧壁即若干凸起部5的侧部组成，也是本发明一种用于光催化的实验器具的实际反应区。
[0031]
本实施例中凸起部5为曲线形纵向间隔排布，且至少两条，形成贯通的线形的通道。通过在凸起部5表面涂有的二氧化钛涂层，为实验提供催化剂，在紫外线光照的条件下，流经流动通道7内部的气体或液体将发生化学合成或催化反应。在此之前，第一透光件3与第二透光件4相贴合的外边缘需要注入凝胶（未示出），形成完整的密封结构，达到对实验气密性的要求。受反应的对象如果是气体，往往是有毒有害气体，防止防止有毒有害气体从外围溢出，受反应对象如果是液体，为避免液体具有一定的挥发性，避免液体受外界环境的掺杂，破坏液体的组分。总之为了避免影响实验数据的准确性以及避免对人生安全造成一定的危害，对实验器具的气密性要求是必要的。
[0032]
参图4所示，在本实施例中，流动通道7形成对向分布于第一透光件3与第二透光件4的两端的输送端8与输出端9，输送端8与输出端9分别嵌设有第一软管10与第二软管11，使第一透光件3与第二透光件4组成的位于内部的流动通道7与外部相连通，供反应对象进入反应装置中的流动通道7，以及及时排出反应完成的对象。遮光装置1内部还设有与第一软管10相配接的液压推进装置13以及与第二软管11相配接的真空收集装置14，通过液压推进装置13（如注射管、电力液压推进器等）与第一软管10相配接，通过压力差帮助气体与液体进入流动通道7，起到注射的作用。除此之外，使液体或气体在流动通道7内部流通，还可以对反应速度起到一定的控制，达到更理想的化学合成与催化效果。真空收集装置14对受反应的液体或气体起到抽吸的作用，此外，受反应后的气体或液体经真空收集装置14收集，可进行适时的保存，减少了外界杂质的干扰。本发明中所采用的是经处理过后的真空试管。
[0033]
为实现实验步骤的同时进行，遮光装置1内部可设有多组反应装置（未示出），设置同时反应区间。
[0034]
第一软管10设有流量调节器15以控制反应速度，通过流量调节器15对从第一软管10中进入流动通道7的气体或液体的流量进行控制，从而从根本上控制气体和液体与二氧化钛的反应量。
[0035]
相邻的凸起部5之间形成的间隙6自第一透光件3靠近入口端的一端至靠近出口端的一端逐渐收缩，从而流动通道7自入口端至出口端逐渐收缩的趋势，通过流动通道7的收缩，一定程度上提升了液体或气体的流动性，避免了液体本身由于易凝固的特点而凝滞于流动通道7内，造成堵塞的现象，从而造成破坏实验器具，影响实验的正常进行。
[0036]
参图2所示，在本实施例中，第一透光件3在背离凸起部5的面和/或第二透光件4的外表面形成凹槽12，相互贴合的第一透光件3与第二透光件4的外表面均可设有凹槽12，凹槽12形成一定的折射角，折射角范围为大于45
°
且小于90
°
，使得凹槽12尽可能多的将紫外线光线投射到凸起部5的侧部，供氧化反应发生提供光源。在本实施例中，第一透光件3在上层，第二透光件4在下层。当第一透光件3与第二透光件4叠合水平放置于遮光装置1内部时，二氧化钛涂层处在凸起部5的侧部与注入流动通道7内部的气体或液体发生反应，紫外线往往无法完全聚焦的作用于二氧化钛的反应区，很大程度上，第一透光件3与第二透光件4对紫外线光能起到一定量的折射作用，造成对紫外线光投射强度的削弱。而第一透光件3和/或第二透光件4表面设有的凹槽12，紫外线光直接照射于第一透光件3或第二透光件4的凹槽12所在区，凹槽12起到一定的聚焦和折射的作用，照射于凹槽12内的大多数紫外线光会发生多重折射，多重折射的紫外线光最终大量照射至凸起部5的二氧化钛反应区。为了避免太多的光经凹槽12进行聚焦，而聚焦点又处在流动通道7的底部，所以在凹槽12与紫外线照射器2的位置关系上，尽量避免上述发生的可能，使得紫外线照射器2所发出的光尽可能倾斜照射在第一透光件3和第二透光件4。
[0037]
除在第一透光件3或第二透光件4表面设置凹槽12，达到削弱光的折射损耗率外，还可以用另一种构造，如在第一透光件3或第二透光件4表面形成若干胶状囊块，胶状囊块具有锐角度数的坡度，使照射到胶状囊块上光向第一透件与第二透件形成的夹层内部折射，达到最大化的光利用率。
[0038]
实施例二：参图5所示，本实施例所揭示的一种用于光催化的实验器具，其与实施例一相比，主要区别在于，在本实施例中，凸起部5在第一透光件3表面呈点阵状排布，且形成分散式的流动通道7。具体的，行与行之间的凸起部5存在梯度差，保证注射入的气体或液体无法直接自输送端8至输出端9以最小路径流动。凸起部5自靠近输送端8的一端向靠近输出端9的一端逐渐缩小，且呈逐渐密集分布的趋势。如上述形成的流动通道7，沿纵向方向形成若干细小的分支，提高了催化反应程度，能够实现更加充分完全的催化合成反应。
[0039]
本实施例所揭示的用于光催化的实验器具与实施例一中相同部分的技术方案，请参实施例一所述，在此不再赘述。
[0040]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
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此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当
将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。