[发明专利]催化材料固定区域可控的毛细管微流控反应器及制备方法

说明书

本发明公开了一种催化材料固定区域可控的毛细管微流控反应器及制备方法，包括如下步骤：（1）在毛细管内指定管壁区域涂布一层PDMS液体，毛细管采用不透气且透明的材料；（2）在毛细管中通入所需固定的粉末状催化材料，部分催化材料粘附在PDMS液体涂层上，多余催化材料流出毛细管；（3）使PDMS液体固化同时将PDMS层所粘附的催化材料固定。从而制得催化材料固定区域可控的毛细管微流控反应器，本发明通过调整涂布条件可以控制PDMS在毛细管内壁上的涂布区域，并且毛细管壁没有透气的特性，避免由于PDMS层透气导致反应液浓度改变，使得反应稳定。

技术领域

本发明涉及一种光催化反应器，本发明还涉及一种光催化反应器的制备方法。

背景技术

光催化技术是一种利用太阳能进行高效、安全的催化技术，具有清洁、可再生、环境友好的特点，在污水处理，水裂解制氢，生物合成等方面已得到国际学术界的认可，并发挥着重要的作用。然而，其催化效率不高是目前其应用的瓶颈。在光催化材料不变的情况下，光催化反应效率主要受限于反应器的设计。光在反应器内的分布、传输、反应器内反应物的传递对反应速率起着至关重要的作用。优化设计反应器对实现太阳能充分利用及高效催化非常重要。

微流控芯片又叫芯片实验室，是常规实验室诸多基本功能的微型化和集成化，是以微加工为基础、微结构为特点、检测技术为依托的分析系统，是近些年来科研领域的重点发展方向。将通常在实验室大型仪器设备上完成的各种生物化学的实验过程在一枚微流控芯片上完成。它是典型的交叉学科产物，涉及物理、化学、微加工和生物工程等多个领域，在光化学合成方面，微流控芯片主要作为一种高效的反应器促进合成效率，即为微流控反应器。

在光催化反应方面，微流控反应器表现出独特的优点：（1）高比表面积：可以有效提高反应速率。（2）受光均匀：在微流控反应器内，薄流体层下入射光分布均匀，提高催化材料的利用率。（3）高效光子传输：光子传输距离短、损失小，提高光子利用率，加快反应速率。（4）较短的物质扩散距离：可以提高反应物的物质交换速率，加快反应液的混合。（5）良好的热交换性能：可以很好的控制反应器的温度，保持适宜的反应温度使反应持续进行。

一个好的光催化反应器正需要上述的优点，因此基于微流控芯片制备的微流控反应器具备成为高效光催化反应器的天然特质，并在光催化领域，如污水处理、光解水制氢、光催化燃料电池、辅酶再生等方面得到了成功的应用。

包含固定光催化材料的微流控反应器可以分为三类：填充床式、整体式和壁涂式。填充床式微流控反应器易于组装且能装载大量的催化材料，但这类型的反应器传热和传质受到限制，传质阻力大不利于反应液流通反应器通道。整体式微流控反应器通常为在管或柱状通道内生成多孔网格的聚合物，这些多孔网格聚合物由于不规则的基质结构和缺乏动力学数据，对其建模的研究有限。与填充床式和整体式微流控反应器不同，壁涂式微流控反应器在很大程度上降低了传质阻力，确保试剂能平稳流进反应器，而不会导致任何不利的压降或微通道阻塞。

本发明所涉及的微流控反应器属于壁涂式微流控反应器。壁涂式微流控反应器在反应器通道的内壁上有一层或多层固定的光催化材料。目前固定的方法有溶胶-凝胶法等方式。这种方式可适用的光催化材料有较大的限制，而且无法控制材料固定的区域，使材料利用率有所下降。

目前，微流控反应器具备如下缺点：①其微小容积不能满足大规模的生产需求，为了提高通量，常用的解决办法是扩大微流控反应器或创建更多并行通道，而这种方法会骤增成本。②为了开发简单、便宜、高效的微流控反应器，应避免使用超净光刻蚀相关的复杂技术和昂贵设备；③微流控反应器最常用的材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS），此种材料具有透气性，随着反应的进行，芯片内的水分会不断蒸发，使反应浓度发生变化。防止水分蒸发成为稳定反应的重要因素。