[发明专利]一种光驱动光催化反应器及其制备方法

说明书

本发明一种光驱动光催化反应器及其制备方法，属于新型能源转换材料技术领域。本发明的高分子复合材料由两部分构成，均以聚N‑异丙基丙烯酰胺水凝胶为基础，在水凝胶前驱体中分别添加还原氧化石墨烯和光催化剂，制备出两种水凝胶，并将其组合得到光驱动光催化反应器。两种水凝胶分别用于模拟向日葵的颈部和花盘，保证光照时该光驱动光催化反应器能自主趋光并始终保持花盘面垂直于光源入射方向。本发明方法减少了光线非垂直入射情况下产生的能量损失，不仅改变了传统的光催化模式，而且解决了光催化剂不易回收的问题。本发明方法简单，原料价格便宜，作为一种通用的策略具有普适性和良好的商业化前景，可被应用于光催化等能源转化领域。

技术领域

本发明涉及一种光驱动光催化反应器及其制备方法，属于新型能源转换材料技术领域。

背景技术

自然界许多生物都有面向光源等自我定向的能力，即趋光性。如向日葵，它们可以自适应环境中太阳光入射角的改变来最大地获取能量，进而能减少光因倾斜照射而造成的能量损失，从而满足生长和繁殖的需求。倾斜入能量损失是指光以一定的角度照射到平面时而导致的入射能量密度产生减少的现象，可以用公式P＝P_max·cosθ来简单表示。因此，对于确定强度的光来说，角度越大，能量损失也越多。例如，当倾斜角为60°时，能量损失为50％。所以如果实现人工向光性，则有望如向日葵一样，使得光催化效率不会因为光源的倾斜而发生减弱。

近年来水凝胶由于具有互联多孔的网络结构而吸引了人们的广泛关注。随着研究深入，人们发现了一系列刺激响应型水凝胶，它们已逐渐成为发展智能材料的重要选择。刺激响应性水凝胶是指在外部环境的刺激下可以发生物理或化学变化的一类水凝胶，如：温度、pH、光、电、磁场等。因此刺激响应水凝胶是有望制备趋光材料的重要材料。聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶是一类非常重要的温敏水凝胶，由于其具有可逆的相转变的特性而吸引了人们的关注。当环境温度低于水凝胶低临界溶解温度(32℃)时，水凝胶会发生吸水溶胀，而当温度高于低临界溶解温度时，水凝胶会发生失水收缩，使得水凝胶体积发生明显缩小。因此基于以上原理，有研究者模拟植物的不对称生长，在水凝胶内部添加光热转换材料，构建一个反馈回路，提出一种制备趋光水凝胶的通用原理。

然而趋光水凝胶作为光催化反应器还未见有人报道。近几十年随着工业快速发展和人口的增长，人们面临化石燃料短缺和水污染等问题。基于太阳光作为能量来源的光催化技术可以实现物质的转化和污染物的降解，且具有能耗低和效率高的优点吸引了人们的关注。随着研究的深入，人们已经克服了单一催化剂只能吸收紫外光的缺点，利用氙灯等来模拟太阳光，实现了可见光下的光催化反应。但是人们普遍默认的就是光能直接照射反应装置，但是在实际情况下，受倾斜入射能量损失的影响，太阳光在一天之内不断移动，它和照射平面存在夹角而产生的能量损失一直存在，也不应该被忽略。因此如何避免这种能量损失，充分利用光能是有必要解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明以向日葵为灵感，利用趋光水凝胶的自主趋光能力，设计出一种光驱动光催化反应器，以硫化镉/还原氧化石墨烯生产双氧水为例，可以有效地恢复能量入射密度损失。通过这种催化方式，不仅能够最大捕获光能，还能有效解决光催化剂不易回收的问题。本发明设计的一种光驱动光催化反应器简单可行，制备简单，极具有商业化前景。

本发明的一种光驱动光催化反应器由两种聚N-异丙基丙烯酰胺基水凝胶所构成，以向日葵为灵感，底部为柱状还原氧化石墨烯-聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶，用于模拟向日葵的颈；顶部为花型片状的含有光催化剂的聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶，用于模拟向日葵的花盘。二者的制备过程类似，均是在聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶的前驱体中相应分散还原氧化石墨烯和光催化剂，再通过紫外光聚合的方法制备而得。总体而言，该光驱动光催化反应器制备过程包括紫外光聚合技术。

具体的，首先，本发明提供了一种光驱动光催化反应器的制备方法，具体步骤如下：

(1)将N-异丙基丙烯酰胺单体用正己烷和丙酮的混合溶液重结晶；