CN107530677A - 光催化反应器及相关方法 - Google Patents

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阿布拉·贾贝尔
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Abstract

本反应器和系统中的一些包括反应器主体，该反应器主体具有基本平面的底部和从底部延伸以限定凹部的一个或更多个侧壁，所述反应器主体限定用于液体和气体的入口和出口；和盖，其被配置为耦接到反应器主体以覆盖凹部，使得反应器主体与盖之间的交界面基本密封，其中反应器主体和盖中的至少一个被配置为将入射紫外光传输到凹部中，并且其中，反应器主体被配置为在凹部中容纳光催化剂，使得通过至少一个液体入口输送到凹部的液体的至少一部分能够在存在紫外光的情况下与光催化剂反应以产生气体。一些反应器和系统包括具有泵和导管的液体和气体循环系统。

Description

光催化反应器及相关方法
相关申请
本申请要求于2014年10月2日提交的、标题为“光催化反应器及相关方法”的美国临时专利申请第62/058,904号的优先权。通过引用的方式将所引用的申请的全部内容并入本文中。
背景技术
1.发明领域
概括而言，本发明涉及反应器，更具体但非限制性地而言，涉及例如用于从液体(比如水、牺牲剂、有机化合物、颗粒物质、及其混合物和/或诸如此类)生产氢的光催化反应器。
2.相关技术说明
来自太阳的光虽然是地球上最充裕的能源，但是其贡献了人类使用的总能源的少于约0.05％(不计太阳能加热，每年仅占约15000千兆瓦(GW))。然而，能够例如通过半导体光催化剂利用太阳能来从可再生源(例如水、乙醇等)产生载能体(例如氢)。中国专利第102151534号、日本专利第2013234077号、美国专利第7,909,979号和美国公布第2011/0203661号中公开了光催化剂反应器的示例。
发明内容
本反应器的一些实施例被配置为通过由反应器主体的侧壁限定的凹部来使液体(例如具有或不具有牺牲剂的反应剂，例如水)暴露于光催化剂(例如能够包括设置于凹部中的薄层、液体内(例如浆液中)的悬浮颗粒、和/或可以被设置于该液体中和/或该液体上的气凝胶)。一些实施例被配置为通过所述凹部使得在液体与光催化剂反应时，该液体与光催化剂直接接触以产生气体。一些实施例被配置为通过耦接到反应器的可调节支架在方向(例如相对于光源、比如太阳)上可调节(例如，使凹部中的光催化剂进行的光吸收最大化)。
本光催化剂反应器的一些实施例包括反应器主体，该反应器主体包括基本平面的底部和从底部延伸以限定凹部的一个或更多个侧壁，所述反应器主体限定：至少一个液体入口、至少一个液体出口、至少一个气体入口、和至少一个气体出口，使得反应器主体的入口和出口中的每一个都与凹部流体连通；以及盖，其被配置为耦接到反应器主体以覆盖凹部，使得反应器主体与盖之间的交界面基本被密封；其中，所述反应器主体和所述盖中的至少一个被配置为将入射紫外光传输到凹部中；并且其中，所述反应器主体被配置为在凹部中容纳光催化剂，使得通过所述至少一个液体入口输送到凹部的液体的至少一部分能够在存在紫外光的情况下与光催化剂反应以产生气体。在一些实施例中，所述反应器主体的凹部具有最大高度和大于最大高度的最大横向尺寸。在一些实施例中，最大横向尺寸是最大高度的至少5倍。在一些实施例中，所述凹部被配置为使得在液体在存在紫外光的情况下与光催化剂反应时与光催化剂直接接触以产生气体。一些实施例还能够包括光催化剂，该光催化剂包括被设置于盖和反应器主体中的至少一个的内表面上的气凝胶层。在一些实施例中，所述凹部具有四边形形状、矩形形状、或正方形形状。
本光催化剂反应器系统的一些实施例包括本反应器的实施例；液体输送系统，其能够包括泵、被配置为耦接到该泵的出口和反应器主体的至少一个液体入口的第一导管、和被配置为耦接到该泵的入口和反应器主体的至少一个液体出口的第二导管；和气体循环系统，其能够包括泵、被配置为耦接到该泵的出口和反应器主体的至少一个气体入口的第一导管、和被配置为耦接到该泵的入口和反应器主体的至少一个气体出口的第二导管；其中，反应器主体和盖中的至少一个被配置为将入射紫外光传输到凹部中；并且其中，反应器主体被配置为在凹部中容纳光催化剂，使得液体的至少一部分与光催化剂在存在紫外光的情况下的反应能够产生气体。
在本系统的一些实施例中，所述气体循环系统能够包括：阀，其耦接到所述第一导管和所述第二导管中的至少一个，并且被配置为选择性地中断通过所述第一导管和所述第二导管中的至少一个的气体流动。在一些实施例中，所述阀被配置为选择性地将气体引导到气相色谱仪。
在本系统的一些实施例中，所述凹部被配置为使得当液体在存在紫外光的情况下与光催化剂反应时，液体的至少一部分与光催化剂直接接触。
在本系统的一些实施例中，所述液体输送系统被配置为经由所述至少一个液体入口和所述至少一个液体出口连续地使液体通过所述凹部循环。
在本系统的一些实施例中，所述液体输送系统被配置为用液体填充所述凹部的大部分。
本系统的一些实施例还能够包括被设置于盖和反应器主体中的至少一个的内表面上的光催化剂。在一些实施例中，所述光催化剂能够包括气凝胶层。在一些实施例中，所述光催化剂能够包括膜涂层。在一些实施例中，所述光催化剂能够包括导电材料和金属氧化物。
在本系统的一些实施例中，所述液体被设置于所述液体输送系统中并且所述液体能够包括反应剂和牺牲剂。在一些实施例中，所述反应剂能够包括水。
在本系统的一些实施例中，所述反应器被配置为相对于所述反应器被支撑在其上的表面成角度地放置。一些实施例还能够包括：支架，其被配置为在至少第一位置和第二位置处将反应器主体支撑在表面之上，在所述第一位置处反应器主体是基本水平的，在所述第二位置处反应器主体相对于所述表面成角度。
本系统的一些实施例还能够包括：垫片，其被配置为设置于盖和反应器主体的一个或更多个侧壁之间以密封反应器主体和盖之间的交界面。在一些实施例中，反应器主体和盖中的至少一个限定被配置为容纳垫片的凹槽。
在本系统的一些实施例中，所述反应器主体和所述盖中的至少一个能够包括一种或更多种聚合物。在一些实施例中，所述一种或更多种聚合物能够包括热塑性聚合物。在一些实施例中，所述一种或更多种聚合物包括以下各项中的至少一种：丙烯酸酯类、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚烯烃、和/或其混合物。在一些实施例中，所述反应器主体和所述盖中的至少一个能够包括透明材料。在一些实施例中，所述透明材料能够包括以下各项中的至少一种：二氧化硅、聚合材料、石英、硼硅酸盐、丙烯酸酯聚合物、共聚物、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、和/或其混合物。
在本系统的一些实施例中，所述液体被设置于凹部中；并且所述光催化剂悬浮在所述液体中和/或所述液体上。
本系统的一些实施例还能够包括被配置为将光输送到反应器的光源。在一些实施例中，光源被配置为输送紫外光。
本方法的一些实施例(例如氢气(H2)的生产)使用本反应器的实施例，并且能够包括通过反应器主体的液体入口将液体输送到凹部，使得液体在存在紫外光的情况下与凹部中的光催化剂接触以产生气体；和通过反应器的气体出口将所生产气体的至少一部分以气流从凹部移除；其中，盖耦接到反应器主体使得盖覆盖凹部并且反应器主体和盖之间的交界面基本密封；并且其中，气流中的至少一部分能够包括H2。在一些实施例中，光催化剂被设置于盖和反应器主体中的至少一个的内表面上。在一些实施例中，光催化剂能够包括膜涂层。在一些实施例中，光催化剂能够包括气凝胶层。在一些实施例中，光催化剂悬浮在所述液体中和/或所述液体上。在一些实施例中，所述液体能够包括水和牺牲剂。在一些实施例中，所述接触能够包括连续地使所述液体循环通过反应器。一些实施例能够包括将所述液体输送到凹部中，使得所述液体达到凹部中的期望深度。一些实施例能够包括分析气流的一部分以确定H2的量。一些实施例能够包括使气流通过至少一个气体入口和至少一个气体出口循环，直到H2的量达到预定阈值。
在本发明的上下文中，描述了四十(40)个实施例。实施例1为包括反应器主体的光催化剂反应器，所述反应器主体包括基本平面的底部和从底部延伸以限定凹部的一个或更多个侧壁，所述反应器主体限定：至少一个液体入口、至少一个液体出口、至少一个气体入口、和至少一个气体出口，使得反应器主体的入口和出口中的每一个都与凹部流体连通；和盖，其被配置为耦接到反应器主体以覆盖凹部，使得反应器主体与盖之间的交界面基本被密封；其中，反应器主体和盖中的至少一个被配置为将入射紫外光传输到凹部中，并且其中，反应器主体被配置为在凹部中容纳光催化剂，使得通过至少一个液体入口输送到凹部的液体的至少一部分能够在存在紫外光的情况下与光催化剂反应以产生气体。实施例2为实施例1的反应器，其中，反应器主体的凹部具有最大高度和大于最大高度的最大横向尺寸。实施例3为实施例2的反应器，其中，最大横向尺寸是最大高度的至少5倍。实施例4为实施例1的反应器，其中，凹部被配置为使得当液体在存在紫外光的情况下与光催化剂反应时与光催化剂直接接触以产生气体。实施例5为实施例1的反应器，其包括光催化剂，该光催化剂包括被设置于盖和反应器主体中的至少一个的内表面上的气凝胶层。
实施例6为光催化剂反应器系统，其包括实施例1到5中任一项所述反应器；液体输送系统，其包括泵、被配置为耦接到该泵的出口和反应器主体的至少一个液体入口的第一导管、和被配置为耦接到该泵的入口和反应器主体的至少一个液体出口的第二导管；和气体循环系统，其包括泵、被配置为耦接到该泵的出口和反应器主体的至少一个气体入口的第一导管、和被配置为耦接到该泵的入口和反应器主体的至少一个气体出口的第二导管；其中，反应器主体和盖中的至少一个被配置为将入射紫外光传输到凹部中；并且其中，反应器主体被配置为在凹部中容纳光催化剂，使得液体的至少一部分与光催化剂在存在紫外光的情况下的反应能够产生气体。实施例7为实施例6的系统，其中气体循环系统包括阀，其被耦接到第一导管和第二导管中的至少一个，并且被配置为选择性地中断通过第一和第二导管中的至少一个的气体流动。实施例8为实施例7的系统，其中，阀被配置为选择性地将气体引导到气相色谱仪。实施例9为实施例6的系统，其中，凹部被配置为使得在液体在存在紫外光的情况下与光催化剂反应时，液体的至少一部分与光催化剂直接接触以产生气体。实施例10为实施例6到9中所述任一项所述系统，其中，液体输送系统被配置为经由至少一个液体入口和至少一个液体出口连续地使液体通过凹部循环。实施例11为实施例6到9中任一项所述的系统，其中，液体输送系统被配置为用液体填充凹部的大部分。实施例12为实施例6到9中任一项所述的系统，其中，光催化剂被设置于盖和反应器主体中的至少一个的内表面上。实施例13为实施例12的系统，其中，光催化剂包括气凝胶层。实施例14为实施例12的系统，其中，光催化剂包括膜涂层。实施例15为实施例12的系统，其中，光催化剂包括导电材料和金属氧化物。实施例16为实施例6到9中任一项所述的系统，其中，液体被设置于液体输送系统中并且液体包括反应剂和牺牲剂。实施例17为实施例16的系统，其中，反应剂包括水。实施例18为实施例6到9中任一项所述的系统，其中，反应器被配置为相对于该反应器被支撑在其上的表面成角度地放置。实施例19为实施例18的系统，还包括支架，其被配置为在至少第一位置和第二位置处将反应器主体支撑在表面之上，在所述第一位置处反应器主体是基本水平的，在所述第二位置处反应器主体相对于所述表面成角度。实施例20为实施例6到9中任一项所述的系统，还包括垫片，其被配置为被设置于盖和反应器主体的一个或更多个侧壁之间以密封反应器主体和盖之间的交界面。实施例21为实施例20的系统，其中反应器主体和盖中的至少一个限定被配置为容纳垫片的凹槽。实施例22为实施例6到9中任一项所述的系统，其中反应器主体和盖中的至少一个包括一种或更多种聚合物。实施例23为实施例22的系统，其中一种或更多种聚合物包括热塑性聚合物。实施例24为实施例22的系统，其中所述一种或更多种聚合物包括以下中的至少一种：丙烯酸酯类、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚烯烃、及其混合物。实施例25为实施例6到9中任一项所述的系统，其中反应器主体和盖中的至少一个包括透明材料。实施例26为实施例25的系统，其中透明材料包括以下中的至少一种：二氧化硅、聚合材料、石英、硼硅酸盐、丙烯酸酯聚合物、共聚物、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、及其混合物。实施27为实施例6到9中任一项所述的系统，其中凹部具有四边形形状、矩形形状、或正方形形状。实施例28为实施例6到9中任一项所述的系统，其中液体被设置于凹部中；并且光催化剂悬浮在液体中和/或液体上。实施例29为实施例6到9中任一项所述的系统，还包括被配置为将光输送到反应器的光源。实施例30为实施例29的系统，其中光源被配置为输送紫外光。
实施例31为生产氢气(H2)的方法，其使用实施例1到5中任一项所述的反应器，其包括通过反应器主体的液体入口将液体输送到凹部，使得液体在存在紫外光的情况下与凹部中的光催化剂接触以产生气体；和通过反应器的气体出口将所生产气体的至少一部分以气流从凹部移除；其中盖耦接到反应器主体使得盖覆盖凹部并且反应器主体和盖之间的交界面基本密封；并且其中，气流中的至少一部分包括H2。实施例32为实施例31的方法，其中光催化剂被设置于盖和反应器主体中的至少一个的内表面上。实施例33为实施例32的方法，其中光催化剂包括膜涂层。实施例34为实施例31的方法，其中光催化剂包括气凝胶层。实施例35为实施例31的方法，其中光催化剂悬浮在液体中和/或液体上。实施例36为实施例31的方法，其中液体包括水和牺牲剂。实施例37为实施例31的方法，其中接触包括使液体通过反应器连续循环。实施例38为实施例31的方法，还包括将液体输送到凹部，使得液体达到凹部中的期望深度。实施例39为实施例31的方法，还包括分析气流的一部分以确定H2的量。实施例40为实施例31的方法，还包括使气流通过至少一个气体入口和至少一个气体出口循环，直到H2达到预定阈值。
术语“耦接”被定义为连接，但是不一定是直接地连接且不一定是机械地连接；“耦接”的两个物体可以是彼此成一体的。术语“一个”被定义为一个或更多个，除非本公开另外作出明确要求。术语“基本”被定义为如本领域普通技术人员所理解的、大体上但不一定完全地为所指明的(并且包括所指明的；例如，基本90度包括90度，而基本平行包括平行)。在任何公开的实施例中，术语“基本”、“大约”和“约”可以被替代为所指明的“[百分数]之内”，其中该百分数包括0.1％、1％、5％、10％、和20％。
并且，以一定方式配置的装置或系统为至少以那种方式配置，但是其还能够以除了详细描述的之外的其他方式配置。
术语“包括”(以及包括的任何形式)、“具有”(以及具有的任何形式)、“包含”(以及包含的任何形式)、和“含有”(以及含有的任何形式)为开放式的连接动词。因此，“包括”、“具有”、“包含”、“含有”一个或更多个元件的设备拥有那一个或更多个元件，但是并不限于仅拥有那些元件。相似地，“包括”、“具有”、“包含”、“含有”一个或更多个步骤的方法拥有那一个或更多个步骤，但是并不限于仅拥有那些步骤。
设备、系统、和方法中任一个的任何实施例能够由或基本由所描述的步骤、元件、和/或特征中的任一项组成，而不是包括/包含/含有/具有那些。因此，在权利要求中的任一项中，术语“由……组成”或“基本由……组成”能够替代以上列举的开放式连接动词中的任一个，以便使原本使用开放式连接动词的给定权利要求的范围改变。
本发明的设备、系统、和方法能够“包括”说明书全文中公开的特定成分、成分、组分等，或者“由”其或“基本由”其“组成”。相对于过渡性短语“基本由……组成”，在一个非限制性方面，本发明的设备的基本和新颖的特性是使用所述设备由水产生氢气。
即使未描述或说明，一个实施例的一个或多个特征也可以应用于其他实施例，除非其被本公开或实施例的性质明确禁止。
以下描述与上述和其他的实施例相关联的一些细节。
附图说明
以下附图通过示例而非限制的方式进行说明。为了简洁和清楚起见，给定结构的每个特征并不总是标示在该结构所出现的每个附图中。相同的附图标记不一定表示相同的结构。相反，如不等同标号所可能的那样，相同的附图标记可以被用于表示相似特征或具有相似功能的特征。特征被按比例绘制(除非另外指出)，这表示对于至少附图中描绘的实施例而言，所描绘的元件的尺寸相对于彼此是精确的。
图1A为本反应器的一个实施例的立体图。
图1B-1C分别为图1A的反应器的俯视图和立体图。
图1D为图1A的反应器的立体图，其示出可移除盖。
图2A和图2B分别为图1A的反应器的立体图和剖面立体图，其示出可调节支架。
图3A是本系统的一个实施例的立体图。
图3B是图3A的系统的俯视图。
具体实施方式
光催化反应器能够适合于各种用途(例如从环境清理到氢生产的应用)[7-14]。
能够利用外部偏压和在不需要这种外部偏压的情况下实现将水光辅助分解(例如裂解)成氢和氧。然而，目前仅实现相对低的析氢速率。另外，在采用宽带隙半导体光催化剂(例如，TiO2和其他相关材料)的系统中，可能需要紫外光(例如具有超过3电子伏(eV)能量)来激发光催化反应，而这种需要可能造成实际应用上的问题。改善光催化反应的尝试包括使用改良的光催化剂，不同于纯TiO2，这种改良的光催化剂对可见光(例如太阳光)作出响应，但是获得相对有限的成功。
常规反应器能够以各种配置被配置用于光催化剂，各种配置例如，涂覆在反应器内表面上的薄层、悬浮颗粒(例如在液体中和/或包括液体，比如形成浆液的一部分)、气凝胶(例如在液体中和/或浮在液体交界面上)等。如在本公开中使用的，液体包括但是不限于水、牺牲剂、有机化合物、颗粒物质、浆液、及其混合物等。
现在参照附图，并且更具体地参照图1A-1D，本反应器的一个实施例在其中示出并且由附图标记10来表示。在示出的实施例中，反应器10包括反应器主体14，其具有基本平面的底部18和从底部延伸以限定凹部26的一个或更多个侧壁22。
在该实施例中，反应器主体14限定至少一个液体入口(例如开口)30(例如两(2)个液体入口)和至少一个液体出口(例如开口)34(一(1)个液体出口)。在示出的实施例中，液体出口34被限定在由底部18限定的凹陷部36中或与其相邻(例如由与凹陷部36相邻的侧壁22限定)，这能够促使液体流动通过液体出口34。在所描绘的实施例中，液体出口34具有比液体入口30更大的截面流动面积(例如为了在期望时维持通过反应器10的液体质量流率)。如所示出的，液体入口被限定在反应器主体14的与液体出口相对的侧上(例如，液体入口被限定在与液体出口相对的侧壁22上)。这样，例如能够促进液体流动通过凹部26的大部分。
在示出的实施例中，反应器主体14限定至少一个气体入口(例如开口)38和至少一个气体出口(例如开口)42。在该实施例中，气体入口被限定在反应器主体14的与气体出口相对的侧上(例如，气体入口被限定在与气体出口相对的侧壁22上)。在示出的实施例中，气体和/或液体入口和/或出口(例如30、34、38、42等)中的每一个都被配置为与凹部26流体连通。
如所示出的，反应器10的反应器主体14包括延伸进凹部26的台阶或突出部46。在该实施例中，台阶或突出部46能够用来搅动、混合、和/或加速气体和/或液体流入反应器10和/或通过反应器10(例如，通过减小凹部26的一部分、例如液体入口30和/或气体入口38附近的一部分的竖直截面(例如流动)面积)，这能够如下所述地促进反应器中的光催化反应。
在示出的实施例中，反应器主体14的凹部26具有最大高度50(例如不包括凹陷部36和台阶或突出部46)和大于最大高度的最大横向尺寸54。例如，在所描绘的实施例中，最大横向尺寸54相比于最大高度50是其下列倍数中的任一个或者其任二个之间的倍数：1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、2、2.5、3、3.5、4、5、6、7、8、9、10或者更大的倍数(例如，是其五(5)倍)。在示出的实施例中，反应器10具有15厘米(cm)的高度58、100(cm)的长度62，和100(cm)的宽度66。例如，在该实施例中，反应器10和/或凹部26能够包括正方形形状；然而，在其他实施例中，反应器和/或凹部能够包括任何合适的形状，比如矩形、四边形、和/或其他多边形、圆形、椭圆形、和/或其他圆形。
在该实施例中，凹部26由主体14限定，使得如果光催化剂被设置于凹部中并且液体流动通过反应器，则液体(例如保持在液态)的至少一部分(达到并且包括全部)与光催化剂直接接触。例如，在该实施例中，单个凹部26延伸侧壁22之间的整个距离(例如，作为单个室，与底部18、液体入口30和出口34、气体入口38和出口42直接流体连通，并且向每个侧壁22的内表面的至少大部分打开)。如下所述，适合于在本反应器中使用的光催化剂能够包括各种材料和/或配置。通过示例，作为反应器10和/或凹部26中的用于光催化剂(例如，或者液体)的合适位置，区域72完全延伸跨过凹部并且包括底部18、侧壁22、反应器主体14、透镜94、和盖74的内表面。
在示出的实施例中，反应器10包括盖74(在图1C和图1D中以透明方式示出)，盖74被配置为耦接到反应器主体14以覆盖凹部26，使得反应器主体和盖之间的交界面基本被密封。例如，在该实施例中，反应器10包括垫片78，其被配置为设置于盖74和反应器主体14的一个或更多个侧壁22之间以密封反应器主体和盖之间的交界面(例如以气密和/或液密方式)。垫片78能够包括任何合适的材料，例如橡胶、硅树脂、软木、纸、金属和/或诸如此类。
在该实施例中，垫片78能够被容纳在凹槽82(例如具有5毫米(mm)深度)中，凹槽82由反应器主体14和盖74中的至少一个限定并且围绕凹部26。例如，在该实施例中，主体14包括与底部18相对地耦接到侧壁22的凸缘86，其中限定了凹槽82。如所示出的，垫片78能够是可再密封的(例如可再使用的)以便有助于将催化剂引入反应器10中和/或从其移出，和/或对反应器10和/或关联部件进行维护、改良等。然而，在其他实施例中，垫片78可以不是可再密封的，并且可以替代地被配置为在每次从反应器主体14移除盖时被替换。在该实施例中，能够通过在反应器主体14和盖74之间压缩垫片78、例如通过将紧固件插入穿过被配置为将盖耦接到主体的多个孔90来提供气密和/或液密密封。
本反应器的反应器主体(例如14)和/或盖(例如74)能够包含任何合适的材料，比如，例如以下各项中的一种或更多种：聚合物(例如热塑性聚合物)、丙烯酸酯类、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚烯烃等。
在该实施例中，反应器主体14和盖74中的至少一个被配置为将入射光(例如可见光、UV光等)传输到凹部26中。例如，反应器主体14和/或盖74(例如，在该实施例中，为盖74)能够包括透镜94(例如包含半透明和/或透明的材料)。例如，透镜94能够包含任何合适的材料，比如，例如二氧化硅、聚合材料、石英、硼硅酸盐、丙烯酸酯聚合物(例如派热克斯玻璃(Pyrex))、共聚物、聚甲基丙烯酸酯(例如PMMA)、聚碳酸酯、其混合物等。
如示出的，在该实施例中，相似地如以上针对盖74和反应器主体14之间的密封交界面所描述的，透镜94能够例如通过具有被配置为容纳垫片98的凹槽102的凸缘106以密封方式耦接到盖74(例如，使得透镜94被密封和/或固定在盖74的凸缘106和反应器主体14的凸缘86之间)。然而，在其他实施例中，透镜94能够不可移除地耦接到盖74和/或与其成一体。在该实施例中，透镜94不被配置为显著地改变入射光(例如为窗口式的)，但是，在其他实施例中，透镜94能够被配置为聚焦、分散、和/或以其他方式改变入射光(例如通过凹面或凸面特征，不论是否包含在常规或菲涅尔型结构中)。
在该实施例中，反应器主体14被配置为在凹部26中容纳光催化剂，使得通过至少一个液体入口30输送到凹部的液体的一部分能够在存在(例如通过透镜94传输的)光的情况下与光催化剂反应以产生气体。本反应器能够与任何合适的液体(比如，例如水、牺牲剂、有机化合物、颗粒物质、浆液、其混合物等)起作用。
适合于在本公开中使用的光催化剂能够包含任何合适的材料，比如，例如金属氧化物、导电材料等，并且可能更重要地，其能够包含任何合适的结构。例如，光催化剂能够被配置为涂覆在凹部和/或反应器的内表面上(例如经由喷涂、滴落涂布等在例如底部18、透镜94、盖74等的内表面上)的薄层(例如气凝胶)或膜、悬浮颗粒(例如在能够流通到凹部26中的液体中或包括该液体，比如，例如形成浆液的一部分)、气凝胶(例如在凹部26中悬浮在液体中和/或液体界面上)等。特别地，包括气凝胶的光催化剂可以允许反应表面面积最大化，并且能够具有适于获得具有最大效率的光的厚度。
如图2A和图2B所示，反应器10被配置为相对于反应器被支撑在其上的表面114成角度110地放置。例如，在该实施例中，反应器10包括被配置为在至少第一位置和第二位置中任一个处将反应器主体14支撑在表面114之上的支架118(例如三角架)，在所述第一位置，反应器主体基本水平(例如，如所示出的)，在所第二位置，反应器主体相对于表面成角度(例如成角度110，其大于1、2、3、4、5、7.5、10、12.5、15、20、25度中任一个或在这些角度中任二个之间，或更大)。例如，在该实施例中，支架118包括多个支柱122，其每个都可滑动地耦接到反应器主体14(例如经由支撑框架126，如所示出的，反应器主体14可以固定到或以其他方式被支撑到该支撑框架126)。
在示出的实施例中，支架118包括多个手柄130，其每个都被配置为相对于支柱122可释放地固定反应器主体14的一部分。例如，一个或更多个手柄130能够被致动以允许反应器主体14(和/或支撑框架126)相对于一个或更多个支柱122滑动，以便将反应器10放置于期望取向(例如相对于表面114成角度110)。在该实施例中，一个或更多个手柄130能够被致动以将反应器可释放地固定在期望取向。这样，反应器相对于表面的取向能够被调节，例如以最大化和/或以其他方式调节入射在凹部26上的光的量(例如最大化和/或以其他方式调节反应器10中的光催化反应)。这种取向调节能够通过提供多个轮134来促进，该多个轮134中的每一个都在与表面114相邻的端部处耦接到支柱122。
如图3A和图3B所示，反应器10能够形成系统138的一部分。在该实施例中，系统138包括液体输送系统142和气体循环系统146(如下所述)。液体输送系统142包括液体泵150。本系统的泵能够包括任何合适的泵，比如，例如正排量泵(例如，隔膜泵、蠕动泵、螺杆泵等)、离心泵等。在该实施例中，液体输送系统142包括第一液体导管154(例如管子、管路等)，其被配置为耦接到液体泵的出口158和反应器主体14的至少一个液体入口30(例如，如所示出的，两个液体入口30)。在该实施例中，液体输送系统的至少一部分形成闭环系统。例如，如所示出的，液体输送系统142包括第二液体导管162，其被配置为耦接到液体泵的入口166和反应器主体的至少一个液体出口34。在示出的实施例中，液体输送系统142包括储液器174，其能够被配置为储存液体。在该实施例中，一个或更多个液体阀170能够被配置为选择性地启动或停止液体流入、流出、和/或通过反应器14(例如经由阀170a)、储液器174(例如经由阀170b)等，并且起卸压阀的作用(例如以便确保系统138的安全运行)。
本反应器和/或系统的液体输送系统能够被配置为以分批模式工作(例如一定量的液体流通到反应器10和/或凹部26中)和/或以连续模式工作(例如液体连续流通通过反应器10和/或凹部26，例如经由液体泵150的连续运行)。为了说明，在分批模式中，液体输送系统142能够被配置为用液体填充凹部26的大部分(达到或包括其全部)。例如，阀170a能够被关闭以防止液体通过液体出口34离开凹部26，并且液体泵150能够被操作以通过液体入口30将液体泵送到凹部26中(例如，并且能够在期望时根据阀170b的位置使液体流通到储液器174和/或从储液器流出)，从而用液体填充凹部26。一旦期望体积的液体在凹部26中(例如，或者液体已经在凹部中达到期望的深度)，液体泵150就能够被停止。在连续模式中，液体输送系统142能够被配置为连续地使液体循环通过凹部26。例如，阀170a能够被打开，并且液体泵150能够被致动以使液体通过液体入口30流通到凹部26中，其中，液体可以通过液体出口34从凹部26流出并且能够返回到泵(例如通过第二液体导管162)。
在示出的实施例中，系统138的气体循环系统146包括气体泵176、被配置为耦接到泵的出口182和反应器主体14的至少一个气体入口38的第一气体导管178。在该实施例中，气体循环系统146包括被配置为耦接到泵176的入口190和反应器主体14的至少一个气体出口42的第二气体导管186。在示出的实施例中，气体循环系统146包括一个或更多个气阀194，其能够被配置为选择性的启动或停止气体流入、流出、和/或流动通过反应器14等，并且起卸压阀的作用(例如以确保系统138的安全运行)。
例如，气阀194能够被配置为选择性地将气体引导到气相色谱仪198。为了说明，当阀194处于第一(例如打开)位置时，气流能够通过气体泵176连续地再循环(例如通过凹部26)，并且当阀194处于第二(例如闭合)位置时，一定量的气体能够被送到气相色谱仪198(例如以供分析)。气相色谱仪198能够被配置为确定所产生的气体(例如H2)的量(无论该量是否已经达到期望的阈值)。
在示出的实施例中，系统10包括被配置为输送光(例如206)(例如可见光、UV光等)的光源202。光源202能够包括任何合适的光源，比如太阳、灯、辐射源等。
用于使用本公开的反应器(例如10)产生氢气(H2)的本方法的一些实施例包括通过反应器主体(例如14)的液体入口(例如30)将液体输送到凹部(例如26)使得液体在存在紫外光的情况下与凹部中的光催化剂接触以产生气体，和通过反应器的气体出口(例如42)将所产生气体的至少一部分以气流从凹部移除，其中，盖(例如74)耦接到反应器主体使得该盖覆盖所述凹部并且反应器主体和盖之间的交界面基本被密封，其中，所述气流的至少一部分包括H2。
在一些实施例中，所述光催化剂被设置于至少一个盖(例如74)和反应器主体(例如14)的内表面上。在一些实施例中，所述光催化剂包括气凝胶层。在一些实施例中，所述光催化剂包括膜涂层。在一些实施例中，所述光催化剂悬浮在液体中和/或液体上。
在一些实施例中，所述液体包括水和牺牲剂。在一些实施例中，所述接触包括连续地使液体循环通过反应器。一些实施例包括将液体输送到凹部(例如26)，使得液体在凹部中达到期望深度。
一些实施例包括(例如，利用气相色谱仪198)分析气流的一部分以确定H2的量。一些实施例包括使气流通过所述至少一个气体入口(例如38)和所述至少一个气体出口(例如42)循环，直到H2达到预定阈值。
以上说明和示例提供结构的完整描述和说明性实施例的使用。虽然以上已经以一定程度的特殊性或参照一个或更多个单独实施例描述了某些实施例，但是本领域技术人员能够在不脱离本发明范围的情况下对公开的实施例做出许多变更。这样，方法和系统的各种说明性实施例并非旨在被限于所公开的具体形式。相反，它们包括落在权利要求范围中的所有修改和变更，并且除了示出的一个之外的实施例可以包括所描绘实施例的一些或全部特征。例如，可以省略元件或将其结合成一体的结构，和/或可以替换连接。而且，在适当的情况下，上述示例中任一个的方面可以与所描述的其他示例中任一个的方面结合以形成具有可比较的或不同的特性和/或功能并且处理相同或不同问题的另外的示例。相似地，应理解的是，上述益处和优点可以涉及一个实施例或可以涉及几个实施例。
权利要求不旨在包括并且不应被解释为包括装置加或步骤加功能的限制，除非这种限制分别用短语“用于……的装置”、“用于……的步骤”或明确记载在给定权利要求中。

Claims (21)

1.一种光催化反应器，包括：
反应器主体，其包括基本平面的底部和从所述底部延伸以限定凹部的一个或更多个侧壁，所述反应器主体限定：至少一个液体入口、至少一个液体出口、至少一个气体入口、和至少一个气体出口，使得所述反应器主体的入口和出口中的每一个都与所述凹部流体连通；以及
盖，其被配置为耦接到所述反应器主体以覆盖所述凹部，使得所述反应器主体和所述盖之间的交界面基本被密封；
其中，所述反应器主体和所述盖中的至少一个被配置为将入射紫外光传输到所述凹部中；并且
其中，所述反应器主体被配置为在所述凹部中容纳光催化剂，使得通过所述至少一个液体入口输送到所述凹部的液体的至少一部分能够在存在紫外光的情况下与所述光催化剂反应以产生气体。
2.如权利要求1所述的反应器，其中，所述反应器主体的所述凹部具有最大高度和大于所述最大高度的最大横向尺寸。
3.如权利要求2所述的反应器，其中，所述最大横向尺寸是所述最大高度的至少5倍。
4.如权利要求1所述的反应器，其中，所述凹部被配置为使得当所述液体在存在紫外光的情况下与所述光催化剂反应时，所述液体与所述光催化剂直接接触以产生气体。
5.如权利要求1所述的反应器，包括：气凝胶层，其被设置于所述盖和所述反应器主体中的至少一个的内表面上，其中，所述气凝胶层包括光催化剂。
6.一种光催化反应器系统，包括：
权利要求1所述的反应器；
液体输送系统，其包括泵、被配置为耦接到所述泵的出口和所述反应器主体的所述至少一个液体入口的第一导管、和被配置为耦接到所述泵的入口和所述反应器主体的所述至少一个液体出口的第二导管；以及
气体循环系统，其包括泵、被配置为耦接到所述泵的出口和所述反应器主体的所述至少一个气体入口的第一导管、和被配置为耦接到所述泵的入口和所述反应器主体的所述至少一个气体出口的第二导管，
其中，所述反应器主体和所述盖中的至少一个被配置为将入射紫外光传输到所述凹部中；并且
其中，所述反应器主体被配置为在所述凹部中容纳光催化剂，使得在存在紫外光的情况下所述液体的至少一部分与所述光催化剂的反应能够产生气体。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述气体循环系统包括：阀，其耦接到所述第一导管和所述第二导管中的至少一个，并且被配置为选择性地中断气体通过所述第一导管和所述第二导管中的所述至少一个的流动。
8.如权利要求6所述的系统，其中，所述凹部被配置为使得当所述液体与所述光催化剂在存在紫外光的情况下反应时，所述液体的所述至少一部分与所述光催化剂直接接触以产生气体。
9.如权利要求6所述的系统，其中，所述液体输送系统被配置为连续地使液体经由所述至少一个液体入口和所述至少一个液体出口通过所述凹部循环或用液体填充所述凹部的大部分。
10.如权利要求6所述的系统，其中，光催化剂被设置于所述盖和所述反应器主体中的至少一个的内表面上。
11.如权利要求10所述的系统，其中，所述光催化剂包括气凝胶层、膜涂层、导电材料、以及金属氧化物、或其结合。
12.如权利要求6所述的系统，其中，液体被设置于所述液体输送系统中，并且所述液体包括反应剂和牺牲剂。
13.如权利要求6所述的系统，其中，所述反应器被配置为相对于所述反应器被支撑在其上的表面成角度地放置。
14.如权利要求13的系统，还包括：支架，其被配置为在至少第一位置和第二位置处将所述反应器主体支撑在表面上，在所述第一位置处所述反应器主体是基本水平的，在所述第二位置处所述反应器主体相对于所述表面成角度。
15.如权利要求6所述的系统，还包括：垫片，其被配置为设置于所述盖和所述反应器主体的所述一个或更多个侧壁之间，以密封所述反应器主体和所述盖之间的所述交界面。
16.如权利要求14所述的系统，其中，所述反应器主体和所述盖中的至少一个限定配置为容纳所述垫片的凹槽。
17.如权利要求15所述的系统，其中，所述反应器主体和所述盖中的至少一个包括一种或更多种聚合物、透明材料、或其两者。
18.如权利要求6所述的系统，其中，所述凹部具有四边形形状、矩形形状、或正方形形状。
19.如权利要求6所述的系统，其中，液体被设置于所述凹部中，并且光催化剂悬浮在所述液体中和/或所述液体上。
20.如权利要求6所述的系统，还包括：光源，其被配置为将光输送到所述反应器，其中，所述光包括紫外光。
21.一种使用权利要求1所述的反应器或权利要求6所述的系统产生氢气(H2)的方法，包括：
通过所述反应器主体的所述液体入口将液体输送到所述凹部，使得所述液体在存在紫外光的情况下与所述凹部中的光催化剂接触以产生气体；以及
通过所述反应器的所述气体出口将所产生的气体的至少一部分以气流从所述凹部移除；
其中，所述盖耦接到所述反应器主体，使得所述盖覆盖所述凹部，并且所述反应器主体和所述盖之间的所述交界面基本被密封；并且
其中，所述气流的至少一部分包含H2。
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