一种自主向光性光阳极阵列

1.本实用新型涉及绿色建筑的技术领域，更具体地，涉及一种自主向光性光阳极阵列。


背景技术：

2.光催化或人工光合研究最终的应用目标便是利用太阳光高效合成化工产品，从而实现化工生产的低能耗、低排放，即绿色化工的目标。在光催化反应体系中，光阳极通常发挥着捕获光能、产生光生电压并催化光解的作用，特别是光能的捕捉对催化反应起到十分关键的作用。然而，当前光催化所使用的电极均无法实现对移动光源的自动追踪，因此，面对照射角度随时间不断变化的太阳光，其光能捕获效率较低，未来的产业化推广势必受限。
3.因此，现有技术中亟需一种自主向光性光阳极技术。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种自主向光性光阳极阵列。
5.为实现上述目的，本实用新型通过下述技术方案予以实现：
6.一种自主向光性光阳极阵列，由多个正方形单位阵重复排列而成，每个单位阵包括位于正方形四角的四个四分之一单体和位于正方形中心的一个完整单体。单体包括自下而上依次设置的圆柱状光响应水凝胶、圆柱状硅胶载体和光催化剂纳米颗粒，所述圆柱状光响应水凝胶与所述圆柱状硅胶载体的截面直径相同，所述光催化剂纳米颗粒采用tio2纳米级颗粒。
7.相邻两个单体的间距不小于单体高度的一半。
8.每个单位阵中的单体对光面的等效对光平面面积不小于该单位阵平面面积。
9.本实用新型相比现有技术的有益效果是：采用圆柱状光响应水凝胶、圆柱状硅胶载体和光催化剂纳米颗粒复合材料制成的光阳极，并巧妙地排列成阵列，增大了光阳极的太阳能接收效率和对光面积，提高了光阳极对太阳能的捕获能力与利用率，具有全角度、高精度、快速响应性(毫秒至秒级)、恢复性和自校准性，且无需辅助电源或人工干预。此外，硅胶载体多孔、比表面积大的特性也进一步提高了光阳极光能捕获能力。
附图说明
10.图1是本实用新型的结构示意图。
11.图2是单位阵的示意图。
12.图3是单位阵在阵列中的位置关系示意图。
13.图4是光催化剂纳米颗粒密排列的示意图。
14.图5是球状表面模型类球状凸起的示意图。
15.图6是球状表面模型类球状凹陷的示意图。
16.图7是狭长孔隙示意图。
33.类球形表面占总表面积的比例满足：
34.阵列平面利用率尽可能高，即单位阵中圆面积占比尽可能高；同时，相邻两个单体的间距不小于单体高度的一半，以保证每个单元体都有足够的变形空间；此外，每个单位阵中的单体对光面的等效对光平面面积不小于该单位阵面积。
35.如图7所示，对这类孔隙采用构造“近似规范形”的方法计算光能接收效率，即将孔隙近似为以孔径为直径、以最大深度为高的圆锥来简化分析。设光能接收效率为η2，有：
[0036][0037]
统计结果表明，b型硅胶载体的平均孔径d＝22.74nm，孔隙深度均为微米级，取l＝10μm，故：
[0038]
η2＝0.1137％
[0039]
综上，自主向光性光阳极对光面的等效对光平面面积s
′
可表示为：
[0040]s′
＝η1s1+η2s2[0041]
设阵列平面利用率为η3，由单位阵几何关系得：
[0042][0043]
综上，构建如下规划模型：
[0044]
maxη3[0045][0046]
设计h＝2mm，r＝0.5mm，求解上述模型可得：
[0047][0048]
综合考虑材料加工等问题，取h＝200μm。此时可解出类球形表面占总表面积的比例
[0049][0050]
该结果进一步证明，类球形表面面积远远小于对光表面积。
[0051]
此外，硅胶载体多孔的特性大幅增加了材料表面的受光面积，其有效对光面积可达阵列平面面积的10.7倍：
[0052][0053]
硅胶载体表面催化剂颗粒采用的tio2催化剂颗粒为纳米级。为获得尽可能高的光能接收效率，颗粒应采用图4所示的密排列。
[0054]
近似认为颗粒直径集中分布于较窄的区间内，则平面利用率η4：
[0055]
[0056]
向光材料在一定范围内可随光线转动。由于驱动向光运动耗能极少，故该区间内光能接收效率可认为达到100％。但材料向光性有限，当光线偏离法线方向超过60
°
时，材料转动较小，效率也会下降。由此对总接收效率做如下简化计算：假设当光线偏离法线方向超过60
°
时材料便不再转动，则该材料平均太阳辐射接收效率可表示为：
[0057][0058]
相比之下，普通光阳极的太阳辐射接收效率为：
[0059][0060][0061]
根据以上计算可知，本实施例中，光阳极的太阳能接收效率提高到了普通光阳极的1.55倍，对光面积达到了宏观面积的10.7倍，这些极大地提高了光阳极对太阳能的捕获能力与利用率。
[0062]
以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，但本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。


技术特征：
1.一种自主向光性光阳极阵列，其特征是，由多个正方形单位阵重复排列而成，每个单位阵包括位于正方形四角的四个四分之一单体和位于正方形中心的一个完整单体，单体包括自下而上依次设置的圆柱状光响应水凝胶、圆柱状硅胶载体和光催化剂纳米颗粒，所述圆柱状光响应水凝胶与所述圆柱状硅胶载体的截面直径相同，所述光催化剂纳米颗粒采用tio2纳米级颗粒。2.根据权利要求1所述的自主向光性光阳极阵列，其特征是，相邻两个单体的间距不小于单体高度的一半。3.根据权利要求1所述的自主向光性光阳极阵列，其特征是，每个单位阵中的单体对光面的等效对光平面面积不小于该单位阵平面面积。

技术总结
本实用新型提供了一种自主向光性光阳极阵列，由多个正方形单位阵重复排列而成，每个单位阵包括位于正方形四角的四个四分之一单体和位于正方形中心的一个完整单体。所述阳极单体包括自下而上依次设置的圆柱状光响应水凝胶、圆柱状硅胶载体和光催化剂纳米颗粒，所述圆柱状光响应水凝胶与所述圆柱状硅胶载体的截面直径相同，所述光催化剂纳米颗粒采用TiO2纳米级颗粒。本实用新型提高了光阳极对太阳能的捕获能力与利用率。阳能的捕获能力与利用率。阳能的捕获能力与利用率。


技术研发人员：白纪韬 李韦伊 张思淼 徐杰
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2020.11.27
技术公布日：2022/2/22