CN111366675B - 一种确定光催化反应中单位光催化剂吸附水量的最佳值的系统和方法 - Google Patents

一种确定光催化反应中单位光催化剂吸附水量的最佳值的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种确定光催化反应中单位光催化剂吸附水量的最佳值的系统和方法，包括光催化反应装置和洗脱装置，洗脱装置包括气瓶、气体质量流量计和通气管，通气管的一端与气瓶连接，气体质量流量计安装于通气管上，光催化反应装置包括光催化反应器、温度控制装置、气体检测器和出气管，光催化反应器与温度控制装置连接，通气管的另一端与光催化反应器入口连通，出气管的一端与光催化反应器出口连通，另一端与气体检测器连接，光催化反应器上设有注水口，注水口通过橡胶塞密封。该系统结构简单，操作方便。该方法基于所述的系统，简单易行，能确定光催化反应中光催化剂吸附水量的最佳值。

Description

一种确定光催化反应中单位光催化剂吸附水量的最佳值的系 统和方法
技术领域
本发明涉及光催化反应技术领域，具体涉及一种确定光催化反应中单位光催化剂吸附水量的最佳值的系统和方法。
背景技术
21世纪，能源问题已经成为了人类发展道路上的一个重大挑战。煤炭、石油等传统不可再生能源不仅仅存在污染的问题，而且能源枯竭的问题迫在眉睫。
光催化技术能够把CO2还原为CH4，把水分解为氢气和氧气，有效地把太阳能转化为化学能，为人类提供清洁的能源燃料，因此光催化技术吸引了广大科研工作者的极大兴趣。但是，目前光催化反应的量子效率比较低(目前已知最高的光催化反应的量子效率仅仅能达到1％)，这严重限制了光催化反应的应用。
通过我们的研究发现，光催化剂上面吸附水的量会影响光催化剂的反应活性和量子效率。当水的吸附量在某个最佳值的时候，光催化剂有最佳的反应活性和量子效率；当水的吸附量偏离最佳值的时候，光催化剂的反应活性和量子效率相比于最佳值有所下降，因此，亟需研发一种能够确定光催化反应中单位光催化剂吸附水量的最佳值的系统和方法。
发明内容
基于上述现有技术，本发明提供了一种确定光催化反应中单位光催化剂吸附水量的最佳值的系统和方法，该系统结构简单，操作方便，用于确定光催化反应中光催化剂吸附水量的最佳值。
该方法基于所述的系统，简单易行，能确定光催化反应中光催化剂吸附水量的最佳值。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种确定光催化反应中单位光催化剂吸附水量的最佳值的系统，包括光催化反应装置和洗脱装置，洗脱装置包括气瓶、气体质量流量计和通气管，通气管的一端与气瓶连接，气体质量流量计安装于通气管上，光催化反应装置包括光催化反应器、温度控制装置、气体检测器和出气管，光催化反应器与温度控制装置连接，通气管的另一端与光催化反应器入口连通，出气管的一端与光催化反应器出口连通，另一端与气体检测器连接，光催化反应器上设有注水口，注水口通过橡胶塞密封。
所述的温度控制装置包括循环水套、循环水管路和循环水仪，循环水仪通过循环水管路与循环水套连接，光催化反应器与循环水套连接。
光催化反应装置还包括光源，光催化剂反应器的顶部为石英盖，光源位于光催化反应器的正上方，注水口设置于光催化剂反应器侧壁上，循环水套包覆于光催化反应器的外壁上，注水口位于循环水套的上方。
一种确定光催化反应中光催化剂吸附水量的最佳值的方法，包括如下步骤：
1、将光催化剂均匀的分散在光催化反应器的底部上；
2、打开气瓶和气体质量流量计，持续向光催化反应器中通入高压气体，直至吸附在光催化剂表面上的水被高压气体冲洗脱附完全，关闭气瓶和气体质量流量计；
3、用注射器通过注水口向光催化反应器中加入0.01μL去离子水，打开光催化反应器，调节温度控制装置的温度至室温，光催化反应完全后，打开气体检测器和光催化反应器出口处的阀门，检测光催化反应的产物气体产生的量；
4、重复步骤4.3N-1次，N为正整数，分别用注射器通过注水口向光催化反应器中加入0.04μL、0.16μL、0.64μL、2.56μL……0.01×4N-1μL去离子水，检测N次光催化反应的产物气体的量，产物气体最多时的加入的去离子水的量为催化剂吸附水量的最佳值。
进一步，所述的高压气体为氮气。
进一步，所述的10≤N≤20。
与现有技术相比，本发明的有益效果和优点在于：
本发明首次提出了确定光催化反应中光催化剂的最佳吸附水量的装置和方法，填补了确定光催化反应中光催化剂的最佳吸附水量这个领域的空白，确定了光催化剂的最佳吸附水量，才能使光催化反应能够以最佳的反应活性和量子效率进行，大大提高了光催化反应的反应效率，而且，本发明简单，易于操作和实现。
附图说明
图1为确定光催化反应中单位光催化剂吸附水量的最佳值的系统的结构示意图。
图2为图1中I的局部放大图。
其中，1-气瓶、2-气体质量流量计、3-通气管、4-光催化反应器(北京泊菲莱科技有限公司，PQ256)、5-石英盖(北京泊菲莱科技有限公司，PQ256)、6-光源、7-循环水套(北京泊菲莱科技有限公司，PQ256)、8-循环水管路、9-循环水仪(JULABO，DD200F)、10- 出气管、11-注水口、12-橡胶塞、13-气体检测器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供的确定光催化反应中单位光催化剂吸附水量的最佳值的系统的结构如图 1所示，包括光催化反应装置和洗脱装置。
洗脱装置包括气瓶1、气体质量流量计2和通气管3。通气管3的一端与气瓶1连接，气体质量流量计2安装于通气管3上。
光催化反应装置包括光催化反应器4、温度控制装置、气体检测器13和出气管10。温度控制装置包括循环水套7、循环水管路8和循环水仪9，循环水仪9通过循环水管路8与循环水套7连接，循环水套7包覆于光催化反应器4的外壁上。光催化反应器通过温度控制装置对其进行加热或冷却，从而控制光催化反应器内的温度。光催化剂反应器4的顶部为石英盖5，光源6位于光催化反应器4的正上方。光催化剂反应器4侧壁上设有注水口11，注水口11位于循环水套7的上方，如图2所示，注水口11通过橡胶塞12密封。
下面结合上述的系统对本发明的确定光催化反应中光催化剂吸附水量的最佳值的方法进行详细说明。
实施例1
1、选择装有氮气的气瓶，选择氢气检测仪为气体检测仪，将1gP25(Degussa二氧化钛P25)光催化剂均匀的分散在光催化反应器的底部上；
2、打开气瓶和气体质量流量计，调节气体质量流量计，使氮气的流速为50ml/min，持续向光催化反应器中通入氮气12h，使得在光催化剂表面上的水被高纯氮气冲洗脱附掉，关闭气瓶和气体质量流量计；
3、用注射器通过注水口向光催化反应器中加入0.01μL去离子水，从此由于注水口上密封的是橡胶塞，注射器注射后，橡胶塞还能起到密封的作用，打开光源，调节温度控制装置的温度至室温(25℃)，光照4小时后，打开气体检测器和光催化反应器出口处的阀门，检测光催化反应的产物气体产生的量；
4、重复步骤7.4 9次，分别向光催化反应器中加入去离子水0.04μL、0.16μL、0.64μL、 2.56μL、10.24μL、40.96μL、163.84μL、655.36μL、2621.44μL检测10次氢气产生的量，结果如下表所示：
Figure RE-GDA0001997631230000031
Figure RE-GDA0001997631230000041
由上表可知，当注入水量为2.56μL时，光催化分解水具有最高的产氢速率，从而得出单位光催化剂(1g)表面吸附水量的最佳值为2.56μL。

Claims (6)

1.一种确定光催化反应中单位光催化剂吸附水量的最佳值的系统，其特征在于：包括光催化反应装置和洗脱装置，洗脱装置包括气瓶、气体质量流量计和通气管，通气管的一端与气瓶连接，气体质量流量计安装于通气管上，光催化反应装置包括光催化反应器、温度控制装置、气体检测器和出气管，光催化反应器与温度控制装置连接，通气管的另一端与光催化反应器入口连通，出气管的一端与光催化反应器出口连通，另一端与气体检测器连接，光催化反应器上设有注水口，注水口通过橡胶塞密封。
2.根据权利要求1所述的确定光催化反应中单位光催化剂吸附水量的最佳值的系统，其特征在于：所述的温度控制装置包括循环水套、循环水管路和循环水仪，循环水仪通过循环水管路与循环水套连接，光催化反应器与循环水套连接。
3.根据权利要求2所述的确定光催化反应中单位光催化剂吸附水量的最佳值的系统，其特征在于：光催化反应装置还包括光源，光催化剂反应器的顶部为石英盖，光源位于光催化反应器的正上方，注水口设置于光催化剂反应器侧壁上，循环水套包覆于光催化反应器的外壁上，注水口位于循环水套的上方。
4.根据权利要求1所述的确定光催化反应中单位光催化剂吸附水量的最佳值的系统的使用方法，其特征在于包括如下步骤：
4.1、将光催化剂均匀的分散在光催化反应器的底部上；
4.2、打开气瓶和气体质量流量计，持续向光催化反应器中通入高压气体，直至吸附在光催化剂表面上的水被高压气体冲洗脱附完全，关闭气瓶和气体质量流量计；
4.3、用注射器通过注水口向光催化反应器中加入0.01μL去离子水，打开光催化反应器，调节温度控制装置的温度至室温，光催化反应完全后，打开气体检测器和光催化反应器出口处的阀门，检测光催化反应的产物气体产生的量；
4.4、重复步骤4.3N-1次，N为正整数，分别用注射器通过注水口向光催化反应器中加入0.04μL、0.16μL、0.64μL、2.56μL……0.01×4N-1μL去离子水，检测N次光催化反应的产物气体的量，产物气体最多时的加入的去离子水的量为光催化剂吸附水量的最佳值，从而得到单位光催化剂吸附水量的最佳值。
5.根据权利要求4所述的确定光催化反应中光催化剂吸附水量的最佳值的系统的使用方法，其特征在于：所述的高压气体为氮气。
6.根据权利要求4所述的确定光催化反应中光催化剂吸附水量的最佳值的系统的使用方法，其特征在于：所述N的范围为10≤N≤20。
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