CN111545149A - 一种光催化分解水反应的高聚光系统及其使用方法 - Google Patents

一种光催化分解水反应的高聚光系统及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光催化分解水反应高聚光系统及使用方法，系统包括光催化分解水循环子系统，所述光催化分解水循环子系统包括光催化分解水反应器、聚光光源、气液分离装置和反应液集中器；所述光催化分解水反应器包括上层的迎光板、中层的反应板和下层的冷却板；所述冷却板和反应板之间设置有薄膜状光催化剂；所述聚光光源设置在所述光催化分解水反应器的迎光板上方；所述光催化分解水反应器的反应板、气液分离装置和反应液集中器的液体管路依次连接形成水循环回路；气液分离装置具有气体出口。本发明提供的实验装置是在实验研究的基础上，设计并搭建了具备高聚光光源光催化反应系统，将光照强度提高至几百个太阳光亮常数，是研究光催化剂在高光强下催化分解水反应的重要实践。

Description

一种光催化分解水反应的高聚光系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及光催化分解水产氢技术领域，具体涉及一种光催化分解水反应的高聚光系统及其使用方法。
背景技术
从1972年Fujishima和Honda报道TiO2单晶电极上的光解水产氢气现象以来，光电化学分解水制氢以及随后发展起来的光催化分解水制氢已成为能源领域研究的热点。美国能源部(DOE)报告指出太阳能光化学分解水制氢是最理想也是未来最主要的氢能生产技术。光催化制氢技术经过近十年来的快速发展已取得了重大的进展，挑选出了许多高效稳定的光催化剂。比如本课题组刘茂昌等人根据“碰撞理论”，利用悬浮的NiSx作为助催化剂的Cd0.5Zn0.5S孪晶异质结，在Na2S/Na2SO3牺牲剂体系中，420nm处的光催化分解水制氢的量子效率达到100％；日本Domen课题组在无牺牲剂体系中，采用GaN/ZnO固溶体光催化剂，在420nm处的光催化完全分解水量子效率达到5.9％；美国Mi课题组，利用分子外延生长技术，制备出GaN/InGaN纳米线，在400nm处的光催化完全分解水量子效率达到12.3％，太阳能-氢能转换效率达到2.7％。
虽然，目前的研究成果距实际应用效率的目标还存在差距，即600nm处的太阳能-氢能转换效率达到10％，但全世界众多科研工作者的积极关注，确实在推动着该领域持续快速发展。然而值得注意的一点，自该领域成立并发展至今，研究的热点一直在于寻求高效稳定的催化剂，而对于光催化系统的关注却少之又少。作为另一种太阳能的利用技术——太阳能光热转换技术的核心在于聚光，该技术已经成熟并应用实际生产中。而太阳能光催化制氢却更倾向使用一个最多不超过几十个太阳光常数的光强。光强决定了参与光催化反应的光子数，因此，发展几十至几百数量级的高聚光光催化反应系统，对于追求光催化反应高能量转换效率是十分必要的。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于针对现阶段高聚光光催化分解水反应系统能量转换效率不高的问题，追求更高效的能量转换效率，提供了一种光催化分解水反应的高聚光系统及其使用方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的的技术方案是：
一种光催化分解水反应高聚光系统，包括：
光催化分解水循环子系统，所述光催化分解水循环子系统包括光催化分解水反应器、聚光光源、气液分离装置和反应液集中器；所述光催化分解水反应器包括上层的迎光板、中层的反应板和下层的冷却板；所述冷却板和反应板之间设置有薄膜状光催化剂；所述聚光光源设置在所述光催化分解水反应器的迎光板上方；所述光催化分解水反应器的反应板、气液分离装置和反应液集中器的液体管路依次连接形成水循环回路；气液分离装置具有气体出口。
作为本发明的进一步改进，还包括冷却循环子系统，所述冷却循环子系统包括离心泵和冷却液缓冲器；所述冷却板、冷却液缓冲器和离心泵的液体管路依次连接形成冷却液循环回路。
作为本发明的进一步改进，还包括产物检测子系统，所述产物检测子系统包括真空泵和气相色谱仪，所述气液分离装置的气体出口由真空泵将气体产物注射进入气相色谱仪中进行检测。
作为本发明的进一步改进，所述气液分离装置由第一恒流泵将多余的液体泵入反应液集中器中；所述反应液集中器由第二恒流泵将液体注入反应器的反应板中。
作为本发明的进一步改进，所述聚光光源最高具有200个太阳光亮常数。
作为本发明的进一步改进，所述迎光板为不锈钢材质，表面具有隔热涂层，并在中心区域设置有透光窗，透光窗由石英玻璃覆盖。
作为本发明的进一步改进，所述反应板为聚四氟乙烯材质，反应板上表面设置有反应池；并在对侧设有循环水口和温度探针口。
作为本发明的进一步改进，所述冷却板中心区域设有凸台用于固定样品位置，冷却板为不锈钢材质，冷却板内部有微通道。
作为本发明的进一步改进，所述系统内流通液体的管道均为橡胶软管，流通气体的管道均为硬质塑料管。
光催化分解水反应高聚光系统的使用方法，包括以下步骤：
将反应液集中器中的反应液通入反应器的反应板中；打开高聚光灯源，调整合适的光强，进行光催化反应；
根据气液分离装置和反应液集中器中液面的变化，适时将多余的液体抽回反应液集中器中。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
由于目前光催化分解水领域主要应用的光源，光照强度上限较低，最多不超过几十个太阳光亮常数。基于实验研究的基础，本发明设计的实验系统包括光催化分解水循环系统、产物检测系统和冷却循环系统，其具有以下优点：通过调控合适的循环速率，整个实验系统可以实现自主循环运行；采用高光强模拟太阳光光源(～200个太阳光亮常数)，可用于研究催化剂在高光强下的催化活性：新型板式反应器能够满足高光强下的反应需求，其中迎光板表面的隔热图层能够屏蔽大量多余热量，带有微孔结构的冷却版和外部冷却循环系统，保证光催化反应的稳定的反应温度。设计并搭建了具备高聚光光源光催化反应系统，将光照强度提高至几百个太阳光亮常数，是研究光催化剂在高光强下催化分解水反应的重要实践。
附图说明
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1为本发明实施例高聚光系统流程示意图。
图2为本发明反应器迎光板明细图。
图3为本发明反应器反应板明细图。
图4为本发明反应器冷却板明细图。
其中，1-光催化分解水反应器；2-高聚光灯源；3-手动阀门；4-气液分离装置；5-自动阀门；6-真空泵；7-气象色谱仪；8-手动阀门；9恒流泵；10-反应液集中器；11-手动阀门；12-恒流泵；13-离心泵；14-手动阀门；15-冷却液集中器；101-隔热涂层；102-透光窗；103-迎光板；104-反应池；105-温度探针口；106-循环水口；107-反应板；108-凸台；109-冷却板。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明一种光催化分解水反应的高聚光系统，包括光催化分解水循环子系统、产物检测子系统和冷却循环子系统。
所述光催化分解水循环子系统包括光催化分解水反应器1、高聚光的光源2、气液分离装置4、恒流泵9、反应液集中器10和恒流泵12；
所述光催化分解水反应器1上部为高聚光的光源2(～200个太阳光亮常数)，气液分离装置4与反应器1之间由一个手动阀门3控制。气液分离装置中液体出口连接手动阀门8，并由恒流泵9将多余的液体泵入反应液集中器10中。同样的，恒流泵12连接手动阀门11将反应液集中器10中的液体注入反应器1中。
所述产物检测子系统包括真空泵6和气相色谱仪7，气液分离装置4气体出口连接自动阀门5，并由真空泵6将气体产物定期注射进入气相色谱仪7中进行检测。
所述冷却循环子系统包括：离心泵13、手动阀门14和冷却液缓冲器15；离心泵13连接手动阀门14，将冷却液缓冲器15中的冷却液，通过反应器1中冷却板109进行冷却。
所述光催化分解水反应器1分为三个部分，上层为迎光板103，为316L不锈钢材质，表面有隔热涂层101，并在中心区域1.2×1.2cm区域由石英玻璃覆盖。中层为反应板107，为聚四氟乙烯材质，并附有循环水口和温度探针口105。下层为冷却板109，为316L不锈钢材质，内有微通道，之间区域有1.1×1.1×0.2cm凸台108。在三个板四个角附近均有圆形装配孔，依迎光板103-反应板107-冷却版的顺序通过螺丝/螺母固定，其中待测样品薄膜置于冷却板109的凸台108上，与反应板107接触，凸台108起到了固定样品位置的作用。
所述装置内流通液体的管道均为橡胶软管，流通气体的管道均为硬质塑料管。
上述所述光催化分解水反应的高聚光系统的使用方法：光催化剂以薄膜的形式放于光催化反应器1的冷却板109和反应板107之间，并由螺丝上紧。打开手动阀门11和3，开启泵12将反应液集中器10中的反应液通入反应器1的反应板107中。打开高聚光灯源2，调整合适的光强，进行光催化反应。每隔一定的时间，自动阀门5将会打开，泵6向气相色谱仪7中泵入一定的气体进行产物检测。同时根据气液分离装置4和反应液集中器10中液面的变化，适时打开手动阀门8和泵9将多余的液体抽回反应液集中器10中，因为反应液为水，所以不会影响反应进行。
为了避免高光强产生的温度变化对光催化反应的影响，光催化反应循环子系统开启的同时，打开手动阀门14和泵13将冷却液集中器15中的冷却液通入反应器1中的冷却板109中进行冷却，保持反应器1中光催化反应温度稳定。
实施例：
如图1、图2，首先，将提前制备合适尺寸的光催化剂薄膜放在反应器1冷却板109凸台108上，用反应器1反应板107和迎光板103盖上，并用螺丝钉固定，保证反应液不漏出。打开手动阀门1和11，开启恒流泵12，将反应液集中器10中的反应液通入反应器1的反应板107中。待稳定后，打开高聚光灯源，调整合适的强度，每隔一定的时间打开自动阀门5，真空泵向气相色谱仪7中，通入一定体积的气体产物进行检测分析。根据气液分离装置4和反应液集中器10中液体的体积，适时打开手动阀门8和恒流泵，将气液分离装置4中的液体转移至反应液集中器10中，维持光催化分解水循环子系统。在光催化反应的同时，打开手动阀门14和离心泵13，将恒流泵集中器15中的冷却液通入光催化反应器1冷却板109中，保持反应器1中光催化反应温度稳定。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (10)

1.一种光催化分解水反应高聚光系统，其特征在于，包括：
光催化分解水循环子系统，所述光催化分解水循环子系统包括光催化分解水反应器(1)、聚光光源(2)、气液分离装置(4)和反应液集中器(10)；所述光催化分解水反应器(1)包括上层的迎光板(103)、中层的反应板(107)和下层的冷却板(109)；所述冷却板(109)和反应板(107)之间设置有薄膜状光催化剂；所述聚光光源(2)设置在所述光催化分解水反应器(1)的迎光板(103)上方；所述光催化分解水反应器(1)的反应板(107)、气液分离装置(4)和反应液集中器(10)的液体管路依次连接形成水循环回路；气液分离装置(4)具有气体出口。
2.根据权利要求1所述的一种光催化分解水反应高聚光系统，其特征在于，还包括冷却循环子系统，所述冷却循环子系统包括离心泵(13)和冷却液缓冲器(15)；所述冷却板(109)、冷却液缓冲器(15)和离心泵(13)的液体管路依次连接形成冷却液循环回路。
3.根据权利要求1所述的一种光催化分解水反应高聚光系统，其特征在于，还包括产物检测子系统，所述产物检测子系统包括真空泵(6)和气相色谱仪(7)，所述气液分离装置(4)的气体出口由真空泵(6)将气体产物注射进入气相色谱仪(7)中进行检测。
4.根据权利要求1所述的一种光催化分解水反应高聚光系统，其特征在于，所述气液分离装置(4)由第一恒流泵(9)将多余的液体泵入反应液集中器(10)中；所述反应液集中器(10)由第二恒流泵(12)将液体注入反应器(1)的反应板(107)中。
5.根据权利要求1所述的一种光催化分解水反应高聚光系统，其特征在于，所述聚光光源(2)最高具有200个太阳光亮常数。
6.根据权利要求1所述的一种光催化分解水反应高聚光系统，其特征在于，所述迎光板(103)为不锈钢材质，表面具有隔热涂层(101)，并在中心区域设置有透光窗(102)，透光窗(102)由石英玻璃覆盖。
7.根据权利要求1所述的一种光催化分解水反应高聚光系统，其特征在于，所述反应板(107)为聚四氟乙烯材质，反应板(107)上表面设置有反应池(104)；并在对侧设有循环水口(106)和温度探针口(105)。
8.根据权利要求1所述的一种光催化分解水反应高聚光系统，其特征在于，所述冷却板(109)中心区域设有凸台(108)用于固定样品位置，冷却板(109)为不锈钢材质，冷却板(109)内部有微通道。
9.根据权利要求1所述的一种光催化分解水反应高聚光系统，其特征在于，所述系统内流通液体的管道均为橡胶软管，流通气体的管道均为硬质塑料管。
10.权利要求1所述的光催化分解水反应高聚光系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
将反应液集中器(10)中的反应液通入反应器(1)的反应板(107)中；打开高聚光灯源(2)，调整合适的光强，进行光催化反应；
根据气液分离装置(4)和反应液集中器(10)中液面的变化，适时将多余的液体抽回反应液集中器(10)中。
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