CN109507362A - 用于结构化光热催化材料性能评价的实验装置及测试方式 - Google Patents
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Abstract
用于结构化光热催化材料性能评价的实验装置及测试方式，包括气路系统、结构化光热催化材料光热反应器装置及外置太阳光模拟光源；气路系统用于为结构化光热催化材料光热反应器装置内部提供混合气体；气路系统输出端与结构化光热催化材料光热反应器装置相连通，结构化光热催化材料光热反应器装置输出端依次连接气体冷却器、色谱分析仪；结构化光热催化材料光热反应器装置包括反应釜体，反应釜体内部设置有光催化装置；结构化光热催化材料光热反应器装置顶部设置有太阳光模拟光源，本发明拓宽了光热催化反应的温度测试范围，并能够实现气固相反应在结构化催化材料作用下的催化活性的反应评价，有利于实际应用中的性能评估。
Description
技术领域
本发明涉及光热反应器技术领域，特别涉及用于结构化光热催化材料性能评价的实验装置及测试方式。
背景技术
太阳能由于具有资源总量大、分布广泛、使用清洁、不存在资源枯竭等诸多优点，而被认为是全球可再生能源发展战略的重要组成部分。太阳能资源的利用需要解决低密度、不稳定、不连续等缺点，因此发展高效的太阳能提质增效/能量储存技术就成为保证其稳定供应的关键技术。利用聚光太阳能作为热源，并用以驱动光热催化反应的发生，将太阳能存储于化学产品化学能中的热化学储能技术具有储能密度大、使用温度高、且可以长距离运输等优点，因而成为备受瞩目的储能技术。
多孔催化活性吸收体是直接照射式太阳能热化学储能系统的关键部件，高效的多孔催化活性吸收体(结构化光热催化材料)能够最大化程度的将入射太阳能转化为化学能储存于化学产品当中。太阳光作用于光热催化材料表面，存在两方面的作用，一方面，光可以作用于光敏感的催化剂，使得催化剂处于激发态，有利于催化化学反应的发生；另一方面，光同时能够对催化材料产生加热效果(尤其是聚光太阳光)。因而，光热催化反应过程，是将太阳光的光激发效果和热效果两者结合，共同作用于催化反应并充分发挥光和热的协同作用，使得反应性能远高于单一的光催化和热催化效果。
高性能的光热催化材料不仅能够应用于太阳能热化学储能技术当中，还能广泛应用于废液废气处理、环境治理等方面，因而吸引了众多学者的研究。然而，现今的光热催化反应材料的研究还处于起步阶段，存在着催化剂/载体选择，传热传质特性，尤其是结构化催化材料实际光照条件下的活性研究不足等问题，需要对现有实验装置进行改进，以实现对结构化光热催化材料反应特性的实验研究。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供用于结构化光热催化材料性能评价的实验装置及测试方式，装置能够克服现有测试装置仅能完成粉末状催化剂本身动力学测试的缺点，拓宽光热催化反应的温度测试范围，并能够实现气固相反应在结构化催化材料作用下的催化活性的反应评价，有利于结构化催化材料在光热反应领域、废气处理等实际应用中的性能评估。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于结构化光热催化材料性能评价的实验装置，包括气路系统、结构化光热催化材料光热反应器装置及外置太阳光模拟光源；
所述的气路系统用于为结构化光热催化材料光热反应器装置内部提供混合气体；
所述的气路系统输出端与结构化光热催化材料光热反应器装置相连通，结构化光热催化材料光热反应器装置输出端依次连接气体冷却器、色谱分析仪；
所述的结构化光热催化材料光热反应器装置包括反应釜体5，所述的反应釜体5内部设置有光催化装置；
结构化光热催化材料光热反应器装置顶部设置有太阳光模拟光源。
所述的反应釜体5内部中间位置为一个阶梯状的下小上大的阶梯结构，阶梯结构上设置有光催化装置，反应釜体5顶部开口处为下小上大的阶梯结构，阶梯结构处设置有石英窗片6。
所述的光催化装置包括结构化光热催化材料7，结构化光热催化材料7外侧设置有不锈钢内衬，所述的结构化光热催化材料7与不锈钢内衬之间设置有不锈钢网8，所述的结构化光热催化材料7下方的不锈钢网8底部设置有石英棉9，石英棉9设置在阶梯结构处，所述的结构化光热催化材料7上方不锈钢网8顶部等间距铺设有石英棉9，石英棉9外侧设置有热电偶套管18，位于石英棉9顶部靠近反应釜体5处设置有压块10。
所述的石英窗片6与阶梯结构处接触端设置有O型垫圈11，所述的石英窗片6顶部设置有用于密封的T型螺帽12。
所述的太阳光模拟光源氙灯光源、紫外/可见光滤光片。
所述的气路系统包括提供气体的气瓶，气瓶的气体输出端连接过滤器1，所述的过滤器1的气体输出端与质量流量计3相连，过滤器1与质量流量计3之间设置有用于控制气体流量的开关阀一2，所述的质量流量计3的输出端连接混合器4。
所述的气路系统并联设置有多组，所述的质量流量计3与连接混合器4之间设置有单向阀13与开关阀二6，气路系统与结构化光热催化材料光热反应器装置之间设置有压力表14。
所述的结构化光热催化材料光热反应器装置为一种连续釜式的反应器，反应釜体5外侧设置有加热套15，所述的反应釜体5与加热套15上设置有反应温度装置一16与反应温度装置二17。
所述的气路系统输出端与结构化光热催化材料光热反应器装置相连接处设置有上下两路接头。
一种用于结构化光热催化材料性能评价的实验装置的测试方式，1)反应气体输送系统的流量控制反应气体经单向阀13、质量流量计3以及开关阀后，再进入气体混合器4以及反应釜体5当中，质量流量计3用于控制并调节反应气体的流量，通过调节质量流量计3的开度，实现不同流量反应气的精确控制；同时，调整各路反应气的流量，使得进入反应釜体5的进气气流具有特定的摩尔组成比，实现不同配比反应气的输送；
2)模拟光源特定光谱太阳光的产生与控制
采用氙灯来产生类似于太阳光谱的模拟自然光，实现对光热催化材料在自然光照条件的实验室模拟；同时，配备有紫外光/可见光/红外光/单色光滤光片，用以产生不同波段的模拟太阳光，模拟自然光以及各个不同波段滤光片的配合使用，完成光热催化材料在不同光谱照射条件的实验室模拟，模拟光源的输出功率强弱控制，实现光热催化材料在不同光照强度条件的实验室模拟；
3)光热反应釜的温度控制及压力控制
反应釜体5配备有高精度高温温度传感器以及压力传感器，数据采集控制系统通过读取温度传感器的温度实时测量反应釜体5的温度，并通过反馈调节机制，控制反应釜体5的加热功率，实现对反应釜体5温度的精准控制；反应釜体5同时配备有压力传感器，能够监测反应釜体5内气相压力，温度传感器和压力传感器的配合使用，能够实现对反应釜温度和压力的实时监测，用以探究反应釜体5内光热催化反应的传递与反应耦合作用机理；
4)光热反应釜的光热协同控制
反应釜体5同时配备有顶部照射的氙灯模拟光源以及外部的电阻加热套，氙灯模拟光源配合不同光谱滤光片的使用，用以实现不同光谱/光强照射条件的实验室模拟；外部加热套/温度传感器的使用，用以实现不同光热反应釜体5温度的产生与控制，不同光谱/光强的模拟自然光及加热套的使用，能够保证在实验室条件下，实现对结构化光热催化材料光热协同方式的模拟与控制；
5)光热反应釜的不同进气方式控制
反应釜体5设计了上下两路接头用于反应气流的进入，可同时实现反应气流“自上而下”以及“自下而上”两种气流进入反应釜体5的气流组织方式，不同气流进入反应釜体5的组织方式配合太阳光顶部照射方式，实现不同进气方式以及不同组分传递与光照激发的配合控制。
本发明的有益效果：
本发明可以长期开展不同种类、不同结构形貌光热催化材料在不同光谱/光照强度条件下的光热催化活性及动力学特性研究测试，可大大降低光热催化材料研究成本。
实验装置的最高反应温度可达800℃，拓宽了传统光热催化反应器的温度测试范围；通过开关阀配合高精度质量流量计可以调节进入反应器的进气流量，在较宽范围内精确调节气体流量及摩尔配比，实现在一个实验装置上开展多种类型光热催化反应的活性评价测试，提高了装置的适用范围；
区别于传统的光热反应器将催化剂粉末布置于固定床反应器当中(气固反应)，或者将催化剂溶于反应液当中(液固反应)进行催化剂的活性评价。在此实验装置中，结构化光热催化材料布置于反应釜体内部，并依托不锈钢内衬托置于反应釜体中间。光热催化材料和不锈钢内衬之间布置有不锈钢网能够保证材料悬置于内衬之上，允许反应气流流过结构化催化材料的全部。同时，结构化材料上部配有不锈钢压块，能够保证催化材料紧密贴合反应釜体，不被气流吹扫悬浮。综上，实现对结构化光热催化材料催化活性评价及反应动力学的实验测量。
为了实现光热协同效果在光热催化反应中的重要影响，同时配备有顶部照射的氙灯模拟光源以及外部的电阻加热套。氙灯模拟光源配合不同光谱滤光片的使用，用以实现不同光谱/光强照射条件的实验室模拟。不同光谱/光强的模拟自然光及加热套的使用，能够保证在实验室条件下，实现对结构化光热催化材料光热协同方式的模拟与控制，从而实现不同光热催化材料、不同类型光热催化反应的实验研究。
同时设计有上下两路接头用于反应气流的进入，可同时实现反应气流“自上而下”以及“自下而上”两种气流进入反应器的气流组织方式。这种气流进入反应釜的不同组织方式，在不同结构类型的结构化光热催化材料当中，能够产生不同的组分传递效果；同时，顶部照射式的太阳光模拟方式，也近真实的模拟光热催化材料在实际太阳能热化学储能系统中的应用方式，产生了不同的热量传递效果及光激发激子的实际产生方式，实现不同进气方式以及不同组分/热量传递与光照激发方式的配合控制。
本发明能够用于研究不同结构、不同材料、不同温区光热催化反应、不同气流组织方式下的结构化光热催化材料的在太阳能热化学储能领域额活性评价及表观动力学测试研究，同时也可拓展应用于光热催化在废液、废气处理等实际应用中的性能评估。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示：本发明的实验装置包括：气路系统、结构化光热催化材料光热反应器装置以及外置太阳光模拟光源。
所述的气路系统包括：气瓶、过滤器1、开关阀一2、质量流量计3、单向阀13、气体混合器4、压力表14。光热反应气体由气瓶供气，经过滤器1过滤气流中杂质，并与开关阀一2进行连接以实现气体供给的控制，后接质量流量计3控制反应气体的流量。各路反应气体在后续混合器4中充分混合，继而流入结构化光热催化材料光热反应器装置完成光热催化反应。产物气经反应器流出后，通过针型阀19，进入气体冷却器中降低产物气温度，再进入色谱进行成分分析，完成催化剂材料活性表征及动力学测试。
所述的结构化光热催化材料光热反应器装置包括：反应釜体5、电加热系统、不锈钢外壳、不锈钢内衬、不锈钢网8、不锈钢压块10，石英棉9、热电偶套管18、压力表、O型垫圈11、石英窗片6、T型螺帽12。反应釜体5配有上下两路接头，能够实现不同进气方式的光热催化材料表观动力学测试研究。
所述的结构化光热催化材料布置于反应釜体5内部，并依托不锈钢内衬托置于反应釜体5中间。光热催化材料和不锈钢内衬之间布置有不锈钢网8能够保证材料悬置于内衬之上，允许反应气流流过结构化催化材料的全部。反应气流既能够自上而下流经反应器进行反应，也能够自下而上流经反应器。反应气流自下而上流经反应器时，结构化光热催化材料7上部的不锈钢压块10，能够保证结构化光热催化材料7紧密贴合反应釜体，不被气流吹扫悬浮。石英窗片允许模拟光源发出的光透过并照射至结构化光热催化材料，完成对催化材料的光激发效果。O型垫圈11配合T型螺帽12完成整个光热反应釜的密封。
所述的太阳光模拟光源包括：氙灯光源、紫外/可见光滤光片。氙灯光源可产生近似于太阳光谱的模拟自然光，配合紫外/可见光滤光片，可产生紫外光、可见光，研究不同光谱、不同光照强度下，结构化光热催化材料的催化活性。
所述的光热反应器结构为一种连续釜式的反应器。
所述的光热反应器设计了上下两路接头用于反应气流的进入，可同时实现反应气流“自上而下”以及“自下而上”两种气流进入反应器的气流组织方式。
所述的光热反应器内部设计有不锈钢内衬，可用于将结构化光热催化材料托置于反应釜体5内部，实现对结构化光热催化材料7的活性评价实验研究。
所述的结构化光热催化材料7和不锈钢内衬之间布置有不锈钢网8，以能够保证材料悬置于内衬之上，并允许反应气流流过结构化光热催化材料7的全部；结构化光热催化材料7上部的不锈钢压块10，能够保证结构化光热催化材料7紧密贴合反应釜体5，不被气流吹扫悬浮。
所述的光热反应器采用顶部照射方式，保证光热催化材料在太阳光照射下的光热耦合作用。
一种用于结构化光热催化材料性能评价的实验装置的测试方式，1)反应气体输送系统的流量控制反应气体经单向阀13、质量流量计3以及开关阀后，再进入气体混合器4以及反应釜体5当中，质量流量计3用于控制并调节反应气体的流量，通过调节质量流量计3的开度，实现不同流量反应气的精确控制；同时，调整各路反应气的流量，使得进入反应釜体5的进气气流具有特定的摩尔组成比，实现不同配比反应气的输送；
2)模拟光源特定光谱太阳光的产生与控制
采用氙灯来产生类似于太阳光谱的模拟自然光，实现对光热催化材料在自然光照条件的实验室模拟；同时，配备有紫外光/可见光/红外光/单色光滤光片，用以产生不同波段的模拟太阳光，模拟自然光以及各个不同波段滤光片的配合使用，完成光热催化材料在不同光谱照射条件的实验室模拟，模拟光源的输出功率强弱控制，实现光热催化材料在不同光照强度条件的实验室模拟；
3)光热反应釜的温度控制及压力控制
反应釜体5配备有高精度高温温度传感器以及压力传感器，数据采集控制系统通过读取温度传感器的温度实时测量反应釜体5的温度，并通过反馈调节机制，控制反应釜体5的加热功率，实现对反应釜体5温度的精准控制；反应釜体5同时配备有压力传感器，能够监测反应釜体5内气相压力，温度传感器和压力传感器的配合使用，能够实现对反应釜温度和压力的实时监测，用以探究反应釜体5内光热催化反应的传递与反应耦合作用机理；
4)光热反应釜的光热协同控制
反应釜体5同时配备有顶部照射的氙灯模拟光源以及外部的电阻加热套，氙灯模拟光源配合不同光谱滤光片的使用，用以实现不同光谱/光强照射条件的实验室模拟；外部加热套/温度传感器的使用，用以实现不同光热反应釜体5温度的产生与控制，不同光谱/光强的模拟自然光及加热套的使用，能够保证在实验室条件下，实现对结构化光热催化材料光热协同方式的模拟与控制；
5)光热反应釜的不同进气方式控制
光热反应器设计了上下两路接头用于反应气流的进入，可同时实现反应气流“自上而下”以及“自下而上”两种气流进入反应器的气流组织方式，不同气流进入反应釜的组织方式配合太阳光顶部照射方式，实现不同进气方式以及不同组分传递与光照激发的配合控制。
Claims (10)
1.一种用于结构化光热催化材料性能评价的实验装置，其特征在于，包括气路系统、结构化光热催化材料光热反应器装置及外置太阳光模拟光源；
所述的气路系统用于为结构化光热催化材料光热反应器装置内部提供混合气体；
所述的气路系统输出端与结构化光热催化材料光热反应器装置相连通，结构化光热催化材料光热反应器装置输出端依次连接气体冷却器、色谱分析仪；
所述的结构化光热催化材料光热反应器装置包括反应釜体(5)，所述的反应釜体(5)内部设置有光催化装置；
结构化光热催化材料光热反应器装置顶部设置有太阳光模拟光源。
2.根据权利要求1所述的一种用于结构化光热催化材料性能评价的实验装置，其特征在于，所述的反应釜体(5)内部中间位置为一个阶梯状的下小上大的阶梯结构，阶梯结构上设置有光催化装置，反应釜体(5)顶部开口处为下小上大的阶梯结构，阶梯结构处设置有石英窗片(6)。
3.根据权利要求2所述的一种用于结构化光热催化材料性能评价的实验装置，其特征在于，所述的光催化装置包括结构化光热催化材料(7)，结构化光热催化材料(7)外侧设置有不锈钢内衬，所述的结构化光热催化材料(7)与不锈钢内衬之间设置有不锈钢网(8)，所述的结构化光热催化材料(7)下方的不锈钢网(8)底部设置有石英棉(9)，石英棉(9)设置在阶梯结构处，所述的结构化光热催化材料(7)上方不锈钢网(8)顶部等间距铺设有石英棉(9)，石英棉(9)外侧设置有热电偶套管(18)，位于石英棉(9)顶部靠近反应釜体(5)处设置有压块(10)。
4.根据权利要求2所述的一种用于结构化光热催化材料性能评价的实验装置，其特征在于，所述的石英窗片(6)与阶梯结构处接触端设置有O型垫圈(11)，所述的石英窗片(6)顶部设置有用于密封的T型螺帽(12)。
5.根据权利要求2所述的一种用于结构化光热催化材料性能评价的实验装置，其特征在于，所述的结构化光热催化材料光热反应器装置为一种连续釜式的反应器，反应釜体(5)外侧设置有加热套(15)，所述的反应釜体(5)与加热套(15)上设置有反应温度装置一(16)与反应温度装置二(17)。
6.根据权利要求1所述的一种用于结构化光热催化材料性能评价的实验装置，其特征在于，所述的太阳光模拟光源氙灯光源、紫外/可见光滤光片。
7.根据权利要求1所述的一种用于结构化光热催化材料性能评价的实验装置，其特征在于，所述的气路系统包括提供气体的气瓶，气瓶的气体输出端连接过滤器(1)，所述的过滤器(1)的气体输出端与质量流量计(3)相连，过滤器(1)与质量流量计(3)之间设置有用于控制气体流量的开关阀一(2)，所述的质量流量计(3)的输出端连接混合器(4)。
8.根据权利要求7所述的一种用于结构化光热催化材料性能评价的实验装置，其特征在于，所述的气路系统并联设置有多组，所述的质量流量计(3)与连接混合器(4)之间设置有单向阀(13)与开关阀二(6)，气路系统与结构化光热催化材料光热反应器装置之间设置有压力表(14)。
9.根据权利要求1所述的一种用于结构化光热催化材料性能评价的实验装置，其特征在于，所述的气路系统输出端与结构化光热催化材料光热反应器装置相连接处设置有上下两路接头。
10.一种用于结构化光热催化材料性能评价的实验装置的测试方式，其特征在于，包括以下步骤；
1)反应气体输送系统的流量控制反应气体经单向阀(13)、质量流量计(3)以及开关阀后，再进入气体混合器(4)以及反应釜体(5)当中，质量流量计(3)用于控制并调节反应气体的流量，通过调节质量流量计(3)的开度，实现不同流量反应气的精确控制；同时，调整各路反应气的流量，使得进入反应釜体(5)的进气气流具有特定的摩尔组成比，实现不同配比反应气的输送；
2)模拟光源特定光谱太阳光的产生与控制
采用氙灯来产生类似于太阳光谱的模拟自然光，实现对光热催化材料在自然光照条件的实验室模拟；同时，配备有紫外光/可见光/红外光/单色光滤光片，用以产生不同波段的模拟太阳光，模拟自然光以及各个不同波段滤光片的配合使用，完成光热催化材料在不同光谱照射条件的实验室模拟，模拟光源的输出功率强弱控制，实现光热催化材料在不同光照强度条件的实验室模拟；
3)光热反应釜的温度控制及压力控制
反应釜体(5)配备有高精度高温温度传感器以及压力传感器，数据采集控制系统通过读取温度传感器的温度实时测量反应釜体(5)的温度，并通过反馈调节机制，控制反应釜体(5)的加热功率，实现对反应釜体(5)温度的精准控制；反应釜体(5)同时配备有压力传感器，能够监测反应釜体(5)内气相压力，温度传感器和压力传感器的配合使用，能够实现对反应釜温度和压力的实时监测，用以探究反应釜体(5)内光热催化反应的传递与反应耦合作用机理；
4)光热反应釜的光热协同控制
反应釜体(5)同时配备有顶部照射的氙灯模拟光源以及外部的电阻加热套，氙灯模拟光源配合不同光谱滤光片的使用，用以实现不同光谱/光强照射条件的实验室模拟；外部加热套/温度传感器的使用，用以实现不同光热反应釜体(5)温度的产生与控制，不同光谱/光强的模拟自然光及加热套的使用，能够保证在实验室条件下，实现对结构化光热催化材料光热协同方式的模拟与控制；
5)光热反应釜的不同进气方式控制
反应釜体(5)设计了上下两路接头用于反应气流的进入，可同时实现反应气流“自上而下”以及“自下而上”两种气流进入反应釜体(5)的气流组织方式，不同气流进入反应釜体(5)的组织方式配合太阳光顶部照射方式，实现不同进气方式以及不同组分传递与光照激发的配合控制。
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