大面積光催化太陽(yáng)光模擬器

光誘導(dǎo)有機(jī)合成反應(yīng)在有機(jī)合成化學(xué)，特別在一些非常見(jiàn)結(jié)構(gòu)的合成中占有特殊的地位，能大大縮短傳統(tǒng)合成化學(xué)的步驟而經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

1972年，Fujishima A等，報(bào)道采用TiO₂光電極和鉑電極組成光電化學(xué)體系使水分解為氫氣和氧氣，從而開(kāi)辟了半導(dǎo)體光催化這一新的領(lǐng)域。半導(dǎo)體光催化開(kāi)始研究的目的只是為了實(shí)現(xiàn)光電化學(xué)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化，之后研究的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到環(huán)境光催化領(lǐng)域。1977年Frank SN 等首先驗(yàn)證了用半導(dǎo)體TiO2光催化降解水中cyanide的可能性，光催化氧化技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用成為研究的熱點(diǎn)。20世紀(jì)80年代初期，以 Fe₂O₃ 沉積TiO₂為光催化劑成功地由氫氣和氮?dú)夤獯呋铣砂?，引起了人們?duì)光催化合成的注意。1983年，芳香鹵代烴的光催化羰基化合成反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，開(kāi)始了光催化在有機(jī)合成中的應(yīng)用。光催化開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)、烯烴的光催化環(huán)氧化反應(yīng)等陸續(xù)有報(bào)道，光催化有機(jī)合成已成為光催化領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。

光催化是光化學(xué)和催化科學(xué)的交叉點(diǎn)，一般是指在催化劑參與下的光化學(xué)反應(yīng)。半導(dǎo)體材料之所以具有光催化特性，是由它的能帶結(jié)構(gòu)所決定。半導(dǎo)體的晶粒內(nèi)含有能帶結(jié)構(gòu)，其能帶結(jié)構(gòu)通常由一個(gè)充滿電子的低能價(jià)帶（valent-band，VB）和一個(gè)空的高能導(dǎo)帶（conduction band，CB）構(gòu)成，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間由禁帶分開(kāi)，該區(qū)域的大小稱為禁帶寬度，其能差為帶隙能，半導(dǎo)體的帶隙能一般為0. 2 ~3. 0 eV。當(dāng)用能量等于或大于帶隙能的光照射催化劑時(shí)，價(jià)帶上的電子被激發(fā)，越過(guò)禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴，即生成電子/空穴對(duì)。由于半導(dǎo)體能帶的不連續(xù)性，電子和空穴的壽命較長(zhǎng)，在電場(chǎng)作用下或通過(guò)擴(kuò)散的方式運(yùn)動(dòng)，與吸附在催化劑粒子表面上的物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，或者被表面晶格缺陷俘獲?？昭ê碗娮釉诖呋瘎﹥?nèi)部或表面也可能直接復(fù)合。因此半導(dǎo)體光催化關(guān)鍵步驟是：催化劑的光激發(fā)，光生電子和空穴的遷移和俘獲，光生電子和空穴與吸附之間表面電荷遷移以及電子和空穴的體內(nèi)或表面復(fù)合。光催化反應(yīng)的量子效率低是其難以實(shí)用化為關(guān)鍵的因素。光催化反應(yīng)的量子效率取決于電子和空穴的復(fù)合幾率，而電子和空穴的復(fù)合過(guò)程則主要取決于兩個(gè)因素：電子和空穴在催化劑表面的俘獲過(guò)程；表面電荷的遷移過(guò)程。

早期光化學(xué)家認(rèn)為光是一種特殊的、能夠產(chǎn)生某些反應(yīng)的試劑。早在1843 年Draper發(fā)現(xiàn)氫與氯在氣相中可發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。1908年Ciamician利用地中海地區(qū)的強(qiáng)烈的陽(yáng)光進(jìn)行各種化合物光化學(xué)反應(yīng)的研究，只是當(dāng)時(shí)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)還不能鑒定。到60年代上半葉，已經(jīng)有的有機(jī)光化學(xué)反應(yīng)被發(fā)現(xiàn)。60 年代后期,隨著量子化學(xué)在有機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用和物理測(cè)試手段的突破（主要是激光技術(shù)與電子技術(shù)），光化學(xué)開(kāi)始飛速發(fā)展。現(xiàn)在，光化學(xué)被理解為分子吸收大約200至700納米范圍內(nèi)的光，使分子到達(dá)電子激發(fā)態(tài)的化學(xué)。由于光是電磁輻射，光化學(xué)研究的是物質(zhì)與光相互作用引起的變化，因此光化學(xué)是化學(xué)和物理學(xué)的交叉學(xué)科。相應(yīng)于熱化學(xué)，光催化有機(jī)合成反應(yīng)的特點(diǎn)如下：

1）光是一種非常特殊的生態(tài)學(xué)上清潔的“試劑”；

2）光化學(xué)反應(yīng)條件一般比熱化學(xué)要溫和；

3）光化學(xué)反應(yīng)能提供安全的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，因?yàn)榉磻?yīng)基本上在室溫或低于室溫下進(jìn)行；

4）有機(jī)化合物在進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)時(shí),不需要進(jìn)行基團(tuán)保護(hù)；

5）在常規(guī)合成中，可通過(guò)插入一步光化學(xué)反應(yīng)大大縮短合成路線。 因此，光化學(xué)在合成化學(xué)中，特別是在天然產(chǎn)物、醫(yī)藥、香料等精細(xì)有機(jī)合成中具有特別重要的意義。

定制的太陽(yáng)光模擬器，對(duì)研究高層大氣中的空氣污染效應(yīng)和光化學(xué)具有*而特殊的光譜要求?？蛻舻臉悠肥沂且粋€(gè)裝有懸浮氣溶膠的旋轉(zhuǎn)圓柱鼓，需要均勻和準(zhǔn)直的照明。

大面積光催化太陽(yáng)光模擬器參數(shù)

1）太陽(yáng)模擬器的輸出光譜規(guī)定為280nm – 750nm。

2）照明區(qū)域覆蓋范圍可定制。

3）空間不均勻度為+/- 10％（ASTM E927）。

4）總輻照度的10％

該系統(tǒng)的核心是6000 W氙氣短弧燈和深橢圓形反射鏡，可產(chǎn)生的光功率并將其重定向到均質(zhì)系統(tǒng)中，定制了特殊的光譜濾光片，可根據(jù)客戶要求模擬太陽(yáng)光譜。