CN110467152B - 一种基于高聚光点光源的光热耦合微流道制氢反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高聚光点光源的光热耦合微流道制氢反应装置，包括高聚光点光源等，工作时，高聚光点光源的方向垂直向下；催化剂放置台放在反应腔室底部的正中心与高聚光点光源的光路对齐；催化剂放置在催化剂放置台上，反应腔室内部加入反应物，反应前先使用惰性气体经气体吹扫流道对反应腔室进行吹扫，再通过高聚光点光源将不同波段的光聚焦道光热催化剂表面，反应后产物通过产物取样口收集并检测。本发明的反应装置体积小，各流道尺寸小，便于点光源将光聚集到催化剂载体上，能流密度大大提升，同时强光的聚集会携带热量，实现光热耦合反应制氢的目的。本发明具有结构简易，操作方便，运行稳定，传热效果好等优点。

Description

一种基于高聚光点光源的光热耦合微流道制氢反应装置

技术领域

本发明属于新能源制备技术领域，具体涉及一种基于高聚光点光源的光热耦合微流道制氢反应装置。

背景技术

近年来全球消耗利用仍然以媒、石油、天然气等传统的化石能源为主，由于这些能源形式本身的不可再生性，以及使用后会产生大量的废弃污染物，造成严重的环境破坏，基于此全世界很多国家包括美国、日本、韩国等已积极着手挖掘太阳能、风能、水能、地热能、氢能等清洁能源去替代传统的化石能源。近年中国政府也采取了大量的措施来推动氢能源产业的发展，然而我国的氢能源产业仍然没有很完整的产业结构，对于氢能源的制备、储存、运输、利用等都存在或多或少的“卡脖子”技术没有解决。因此，对于氢能源相关技术的研究是十分紧迫而且必要的。太阳能光热耦合制氢技术是一种高效、清洁、无污染的制氢手段，同时是对取之不尽，用之不竭的太阳能的一种有效地利用方式。该技术能够有效地缓解对于氢能源制备这一模块的压力。

光热耦合制氢技术实际上就是集光能和热能于一体，是对传统光催化技术的延伸拓展，其基本的原理是通过光激发半导体材料产生电子和空穴对，继而迁移与反应物的接触面发生氧化还原反应而产生氢气，热能的加入能够加速载流子的迁移速率和化学反应的速率，通过对太阳能光源的合理利用，合理匹配太阳能中的能流比例来得到更高的制氢效率。现阶段，国内高校研究所的主要研究主要仍放在催化剂材料结构本身或者对于化学反应过程进行设计优化，然而，对于光热耦合反应制氢反应器的设计构造研究较为稀少，导致在太阳能中能量的匹配优化技术上存在瓶颈。因此需要设计一种新型的太阳能光热耦合分解水制氢装置来进行实验探究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于高聚光点光源的光热耦合微流道制氢反应装置，利用此装置可以对一系列半导体催化剂进行在强光下的光热耦合制氢展开研究。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种基于高聚光点光源的光热耦合微流道制氢反应装置，包括高聚光点光源、气体吹扫流道、固定流道基座、催化剂放置台以及光热反应器；其中，

该光热反应器具有中空的反应腔室，其顶部设置有高透光石英窗，侧壁上开设有产物取样口；气体吹扫流道通过固定流道基座固定在光热反应器的底部，并引入至反应腔室内；

工作时，高聚光点光源的方向垂直向下，位于光热反应器正中央；催化剂放置台放在反应腔室底部的正中心与高聚光点光源的光路对齐；光热催化剂放置在催化剂放置台上，反应腔室内部加入光热反应的反应物，先使用惰性气体经气体吹扫流道对反应腔室进行吹扫，排除腔室及反应物里面的氧气，继而通过高聚光点光源将不同波段的光聚焦道光热催化剂表面发生光热反应，产物通过产物取样口收集并检测。

本发明进一步的改进在于，光热反应器的反应腔室由自上而下设置的反应器上封盖和反应器底封盖，以及设置在反应器上封盖和反应器底封盖之间的光热反应器侧壁构成，高透光石英窗位于反应器上封盖与光热反应器侧壁之间。

本发明进一步的改进在于，反应器上封盖和反应器底封盖的周向上均开设在有螺栓孔，并通过穿过螺栓孔的固定螺栓连接在一起。

本发明进一步的改进在于，透明圆盖与光热反应器侧壁之间还设置有硅胶平垫圈。

本发明进一步的改进在于，反应器底封盖的底部还均匀设置有四个反应器底座，用于支撑光热反应器。

本发明进一步的改进在于，产物取样口镶置于光热反应器侧壁内部，并且侧壁上方有微小通孔，便于将产物引出，且产物取样口的位置位于光热反应器侧壁的中上部分。

本发明进一步的改进在于，催化剂放置台为中空圆台结构，放置在反应器底封盖的正中心上方，反应腔室的底部，便于将附有催化剂涂层的载体固定在上面。

本发明进一步的改进在于，气体吹扫流道镶嵌于固定流道基座中间，固定流道基座通过螺纹连接的方式自下而上固定在反应器底封盖上，防止在气体吹扫的过程中软管脱落或者漏气现象的发生。

本发明进一步的改进在于，光热催化剂为半导体催化剂，其吸收光为紫外光部分和部分可见光，相应的波长范围在180nm-700nm以内；反应物为超纯水，海水，或携带牺牲剂的超纯水。

本发明进一步的改进在于，高聚光点光源与光热反应器的距离能够根据具体的实验要求进行上下调节，发射光的性质能够通过高聚光点光源的主控制器调控。

相对于现有技术，本发明具有如下有益的技术效果：

本发明为目前新兴的光热半导体催化剂提供一种可以耦合光场、热场的多物理场耦合实验装置，为科研工作者进一步研究光热耦合及高聚光催化制氢的相关研究提供实验条件。本发明通过控制台对点光源的波长范围以及光强进行准调控，控制点光源到催化剂放置台的距离，在微小反应器内实现对反应物(超纯水，海水等)光热耦合分解制氢反应，进而对光热等多物理场耦合的催化剂反应机理展开更深入的研究。

进一步，反应器腔室与上盖板通过螺栓对称连接，并且中间垫有垫圈，保证了反应腔室的密封性，垫圈上方的石英窗既密封了腔室也利于反应光的射入。

进一步，产物取样口镶置于光热反应器侧壁内部，并且侧壁上方有微小通孔，便于将产物引出。

进一步，反应器底座位于整个装置的最低部，右侧边线与反应器底封盖的最右侧对齐，以反应器正中心成圆形阵列放置，数量四个，用于支撑反应装置。

进一步，气体吹扫流道镶嵌于固定流道基座中间，基座通过螺纹连接的方式自下而上固定在反应器底封盖上，防止在气体吹扫的过程中软管脱落或者漏气现象的发生，操作简单方便。

进一步，催化剂放置台为中空圆台结构，放置在反应器底封盖的正中心上方，反应腔室的底部。便于将附有催化剂涂层的载体固定在上面。直接通过调节点光源的垂直距离来实现对不同工况下的光热反应进行研究。

进一步，螺栓孔位于上封盖边侧，以反应器为中心阵列放置，总共四个；对应地，在反应器底封盖上也设置四个螺栓孔，大小一致，便于螺栓通过，以固定反应器上封盖；此方法也使得反应装置结构更加紧凑，密封性更佳。

进一步，反应物可以为超纯水，海水，或者携带牺牲剂的超纯水等；或者是其他能够用于产氢研究的液体介质。

进一步，反应器的材质为有机玻璃，廉价易得，方便加工。

附图说明

图1本发明的正面剖视图；

图2为本发明的俯视图。

附图标记说明：

1为聚光点光源，2为反应器上封盖，3为高透光石英窗，4为硅胶平垫圈，5为产物取样口，6为固定螺栓，7为光热反应器侧壁，8为反应器底封盖，9为反应器底座，10为气体吹扫流道，11为固定流道基座，12为催化剂放置台，13为螺栓孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下具体实例有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，在不脱离本发明构思的前提下，都可以对装置做出若干的变形和改造。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明提供的一种基于高聚光点光源的光热耦合微流道制氢反应装置，包括高聚光点光源1、反应器上封盖2、高透光石英窗3、硅胶平垫圈4、产物取样口5、固定螺栓6、光热反应器侧壁7、反应器底封盖8、反应器底座9、气体吹扫流道10、固定流道基座11、催化剂放置台12和螺栓孔13。其中，高聚光点光源1的方向垂直向下设置，位于反应器正中央；反应器上封盖2通过固定螺栓6与反应器底封盖8连接；透明石英窗3和硅胶平垫圈4位于光热反应腔室正上方，反应器上封盖2的正下方；产物取样口5固定在光热反应器侧壁7的中上部分；反应器底座9放置在整个光热反应器的底部，四个阵列放置，用于支撑光热反应器；气体吹扫流道10通过固定流道基座11固定在光热反应腔室的底部；催化剂放置台12放在反应腔室正中心，与高聚光点光源1的光路对齐；螺栓孔13位于反应器上封盖2的侧边上，用于放置固定螺栓6；工作时，光热催化剂放置在催化剂放置台12上，反应腔室内部加入光热反应的反应物(例如，水等)，先使用惰性气体经气体吹扫流道10对反应腔室进行吹扫，排除反应腔室及反应物里面的氧气等，继而高聚光点光源1将不同波段的光聚焦道光热催化剂表面发生光热反应，产物通过产物取样口5收集并检测。

优选的，高聚光点光源1与光热反应器主体的距离可以根据具体的实验要求进行上下调节，发射光的性质(波长，光强等)可以通过高聚光点光源1的主控制器调控。

优选的，反应器上封盖2与光热反应器主体通过螺栓6连接，正下方放置高透光石英窗3便于将反应物密封，硅胶平垫圈4为了保证连接的气密性。

优选的，产物取样口5镶置于光热反应器侧壁7内部，并且侧壁上方有微小通孔，便于将产物引出。产物取样口5的位置位于光热反应器侧壁7的中上部分，硅胶平垫圈4的下方；反应器底封盖8用于密封反应腔室，并通过螺栓6继而固定住反应器上封盖2；反应器底座9位于整个装置的最低部，右侧边线与反应器底封盖8的最右侧对齐，以反应器正中心成圆形阵列放置，数量四个，用于支撑反应装置。

优选的，气体吹扫流道10镶嵌于固定流道基座11中间，固定流道基座11通过螺纹连接的方式自下而上固定在反应器底封盖8上，防止在气体吹扫的过程中软管脱落或者漏气现象的发生。

优选的，催化剂放置台12为中空圆台结构，放置在反应器底封盖8的正中心上方，反应腔室的底部。便于将附有催化剂涂层的载体固定在上面。

优选的，螺栓孔13位于反应器上封盖2边侧，以反应器为中心阵列放置，总共四个；对应地，在反应器底封盖8上也设置四个螺栓孔，大小一致，便于固定螺栓6通过，以固定反应器上封盖2。

优选的，光热催化剂为半导体催化剂，其吸收光为紫外光部分和部分可见光，相应的波长范围在180nm-700nm以内。

优选的，反应物为超纯水，海水，或携带牺牲剂的超纯水或其他能够用于产氢研究的液体原材料。

优选的，光热反应器的材质为有机玻璃。

工作时，首先，高聚光点光源1的发射波长以及光照强度能够通过光控制器进行控制，操作人员可根据具体实验目的来调整高聚光点光源1与目标点即催化剂放置台12之间的距离，实现不同工况下的光热耦合催化及高聚光产氢实验。在开展实验之前，需将催化剂载体层铆钉在催化剂放置台12上，加入反应物后，依次放上硅胶平垫圈4、高透光石英窗3，反应器上封盖2，利用固定螺栓6经螺栓孔13将整个装置进行密封。紧接着使用惰性气体通过气体吹扫流道10对反应腔室进行吹扫，之后关闭吹扫流到气体吹扫流道10以及产物取样口5。开启光源将不同波段和强度的光源照射到催化剂载体上，激发半导体催化剂发生电子-空穴对的分离，入射光中产生的热能能够有效地促进电子和空穴在半导体中的传输速率，加快反应进行的速度，继而加快高聚光光热耦合产氢的速率。

反应物的具体介质以及用量，可以根据实验的不同目的进行自主设计方案。反应的入射光为点光源，而且反应器结构微小，能够更多的将光子聚集在催化剂表面上，能够有效地避免光子的损耗，保证了光能的利用率。

在反应的过程中，操作人员可通过产物取样口5定时地取走反应产物用于对高聚光光热耦合催化反应性能进行研究。

反应结束后，可直接通过拆卸螺栓将反应器拆解开，倒掉反应物，取下催化剂，清洗之后即可进行下一组实验，操作方便快捷，高效。

Claims (6)

1.一种基于高聚光点光源的光热耦合微流道制氢反应装置，其特征在于，包括高聚光点光源(1)、气体吹扫流道(10)、固定流道基座(11)、催化剂放置台(12)以及光热反应器；其中，

该光热反应器具有中空的反应腔室，其顶部设置有高透光石英窗(3)，侧壁上开设有产物取样口(5)；气体吹扫流道(10)通过固定流道基座(11)固定在光热反应器的底部，并引入至反应腔室内；

催化剂放置台(12)为中空圆台结构，放置在反应器底封盖(8)的正中心上方，反应腔室的底部，便于将附有催化剂涂层的载体固定在上面；光热催化剂为半导体催化剂，其吸收光为紫外光部分和部分可见光，相应的波长范围在180nm-700nm以内；反应物为超纯水，海水，或携带牺牲剂的超纯水；高聚光点光源(1)与光热反应器的距离能够根据具体的实验要求进行上下调节，发射光的性质能够通过高聚光点光源(1)的主控制器调控；

工作时，高聚光点光源(1)的方向垂直向下，位于光热反应器正中央；催化剂放置台(12)放在反应腔室底部的正中心与高聚光点光源(1)的光路对齐；光热催化剂放置在催化剂放置台(12)上，反应腔室内部加入光热反应的反应物，先使用惰性气体经气体吹扫流道(10)对反应腔室进行吹扫，排除腔室及反应物里面的氧气，继而通过高聚光点光源(1)将不同波段的光聚焦到光热催化剂表面发生光热反应，产物通过产物取样口(5)收集并检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于高聚光点光源的光热耦合微流道制氢反应装置，其特征在于，光热反应器的反应腔室由自上而下设置的反应器上封盖(2)和反应器底封盖(8)，以及设置在反应器上封盖(2)和反应器底封盖(8)之间的光热反应器侧壁(7)构成，高透光石英窗(3)位于反应器上封盖(2)与光热反应器侧壁(7)之间。

3.根据权利要求2所述的一种基于高聚光点光源的光热耦合微流道制氢反应装置，其特征在于，反应器上封盖(2)和反应器底封盖(8)的周向上均开设有螺栓孔(13)，并通过穿过螺栓孔(13)的固定螺栓(6)连接在一起。

4.根据权利要求2所述的一种基于高聚光点光源的光热耦合微流道制氢反应装置，其特征在于，反应器底封盖(8)的底部还均匀设置有四个反应器底座(9)，用于支撑光热反应器。

5.根据权利要求2所述的一种基于高聚光点光源的光热耦合微流道制氢反应装置，其特征在于，产物取样口(5)镶置于光热反应器侧壁(7)内部，并且侧壁上方有微小通孔，便于将产物引出，且产物取样口(5)的位置位于光热反应器侧壁(7)的中上部分。

6.根据权利要求1所述的一种基于高聚光点光源的光热耦合微流道制氢反应装置，其特征在于，气体吹扫流道(10)镶嵌于固定流道基座(11)中间，固定流道基座(11)通过螺纹连接的方式自下而上固定在反应器底封盖(8)上，防止在气体吹扫的过程中软管脱落或者漏气现象的发生。

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