CN112452272A - 一种用于全固态光电水解的反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于全固态光电水解的反应器，其特征在于，轴向上依次包括上腔、中板、下腔，上腔与下腔内的腔体开口相对设置，三者通过螺栓连接形成可拆卸的封闭系统；所述上腔的顶部开有窗口，窗口处设有用于光路通过并照射到样品上的石英玻璃，石英玻璃通过其上方的上法兰固定于上腔的窗口内，上法兰与上腔之间形成可拆卸的密闭结构；上腔、下腔的腔壁内沿的不同位置处分别设有用于部件通过的多个孔道；中板上设有用于插设样品的样品放置处。上下腔作为两个不同的气室，可通入不同的反应气体，能够灵活地满足全固态光电水解所需要的可高温加热，可外加模拟太阳光，可实现上下非对称的反应气氛等测试条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于全固态光电水解的反应器，属于光电化学技术领域。
背景技术
为了满足日益增长的能源需求，人们开始寻求使用可持续的新能源，作为其中重要组成部分，太阳能的储存和应用一直是科研人员研究的热点方向，而如何有效地提高光能的转换利用效率，是整个领域的挑战之一。光电化学催化(Photoelectrochemical cell，PEC)系统将太阳能电池中具有光伏效应的部分被作为电极直接集成在电化学电池上，为太阳能的转换与储存提供了一种新的思路。相比于传统PEC，全固态光电化学池(Solid OxidePhotoelectrochemical Cell,SOPEC)利用固体离子导体电解质用于替代传统的液态电解质，具有更简单安全的器件结构以及更广的操作温度窗口，可以更高效的利用太阳光辐射。在SOPEC中，利用光激发光电子，驱动电化学反应发生，例如水的裂解，最终产物H2和O2作为燃料被储存下来，整个过程将辐射能直接转化为化学能。当利用SOPEC进行全固态光电水解时，所应用的反应器应该满足可高温加热，可外加模拟太阳光，可实现上下非对称的反应气氛等测试条件。然而，现如今，还没有一款反应器能够灵活地满足SOPEC所有的测试条件，并专门应用于全固态光电化学水解的科研测试工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能满足SOPEC所有测试条件的全固态光电化学水解反应器。
为了解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
一种用于全固态光电水解的反应器，其特征在于，轴向上依次包括上腔、中板、下腔，上腔与下腔内的腔体开口相对设置，三者通过螺栓连接形成可拆卸的封闭系统；所述上腔的顶部开有窗口，窗口处设有用于光路通过并照射到样品上的石英玻璃，石英玻璃通过其上方的上法兰固定于上腔的窗口内，上法兰与上腔之间形成可拆卸的密闭结构；上腔、下腔的腔壁内沿的不同位置处分别设有用于部件通过的多个孔道；中板上设有用于插设样品的样品放置处。
优选地，所述上腔、中板、下腔的材质均为不锈钢或陶瓷，其长与宽均相同，且中轴线的位置重合。所用材料均为可耐高温。
优选地，所述样品放置处位于中板的中心。
优选地，所述上腔、下腔内的孔道方向与所述反应器的轴向垂直。
优选地，所述部件包括加热棒、上电极接头/下电极接头、温度传感器和卡套接头中的至少一种；上腔或下腔上相应孔道的露出端口分别为加热棒插入端口、电极接头插入端口、温度传感器插入端口、气体输入端口/气体输出端口。
更优选地，所述上腔内设有五个孔道，下腔内设有六个孔道；其中，上腔的五个孔道中，三个孔道分别用于两根加热棒和一根电极接头通过，且各部件之间互不接触，剩余两个孔道处于相对位置，并与上腔的中轴线重合，用于外接卡套接头；下腔的五个孔道中，四个孔道分别用于两根加热棒、一根温度传感器和一根电极接头通过，且各部件之间互不接触，剩余两个孔道处于相对位置，并与下腔的中轴线重合，用于外接卡套接头。
更优选地，所述的上电极接头或下电极接头为外部包覆有陶瓷管的导电金属棍，导电金属从陶瓷管的两端露出。陶瓷管起到了导电金属电极与不锈钢腔体之间的绝缘作用。
优选地，所述上腔、下腔内的腔体为方形腔。
优选地，所述中板与上腔、下腔之间均设有石墨垫片一；所述石英玻璃与上法兰、上腔之间均设有石墨垫片二。
优选地，所述的石英玻璃位于上腔顶部的中心位置，即石英玻璃的中心与样品放置处的中轴线重合。石英玻璃应该保证良好的透光性，通过石英玻璃，可以看见完整的样品，通过石英玻璃窗口对样品施加模拟太阳光。
加热棒插入端口应靠近两侧腔璧，并远离不锈钢腔体中轴线位置，防止遮蔽样品放置处，导致光路无法照射到样品表面。当各部件通过部件插入端口与腔体相连时，需要保证腔体封闭结构的气密性，必要时可将零部件与不锈钢腔体的连接口固定，以实现良好的气密性。所述电极接头的端头应靠近样品放置处，方便样品与测试电极之间的接线，但不能遮蔽样品放置处，导致光路无法照射到样品表面。
本发明提供d用于全固态光电水解的反应器，拥有上下两个不同的气室，可通入不同的反应气体，并在高温下加模拟太阳光的照射下，进行全固态光电水解反应。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种用于全固态光电水解的反应器，结构简单紧凑并可拆卸，可灵活地实现装换样品等操作，可在上下两个气室通入不同的反应气体，并在高温下加模拟太阳光的照射下，进行全固态光电水解反应，完全满足全固态光电水解的科研测试要求。
同时，本发明所述的反应器控制方便且实验过程多样，可视实验情境自由改变。
附图说明
图1为本发明提供的反应器的轴测图的爆炸图；
图2a为上腔的轴测图；
图2b为上腔的正视图；
图2c图2b的后视图；
图2d为图2b的俯视图；
图2e为图2d的左视图；
图2f为图2d的右视图；
图2g为图2d的透视图；
图2h为图2g中A-A面的剖视图；
图2i为图2g的左视图；
图2j为图2g的右视图；
图3a为中板的轴测图；
图3b为中板的正视图；
图3c为图3b的俯视图；
图3d为图3c的左视图；
图4a为下腔正视图的透视图；
图4b为图4a的后视图；
图4c为图4a的俯视图；
图4d为图4c的左视图；
图4e为图4c的右视图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
结合图1可知，本实施例提供的用于全固态光电水解的腔体的主要组成部件为上腔4，中板3，下腔1。在上腔4，中板3和下腔1的对应位置均设置有竖直方向的螺纹贯穿孔，可通过螺纹孔，使用螺栓将上腔4，中板3和下腔1连接成密闭的可拆卸结构。连接处设置有方形的石墨垫片一2，保证气密性良好。中板3的中心设有样品放置处17。上腔4的顶部开有窗口，窗口处设有用于光路通过并照射到样品上的石英玻璃6，石英玻璃6通过其上方的上法兰7固定于上腔4的窗口内，上法兰7与上腔4之间形成可拆卸的密闭结构；上腔4、下腔1的腔壁内沿的不同位置处分别设有用于部件通过的多个孔道；中板3上设有用于插设样品的样品放置处17。
结合图1和图2a-j可知，上腔4的腔璧处设置有五个贯穿孔道，其中三个孔道作为零部件的插入端口，分别为两个加热棒插入端口13，和一个电极接头插入端口16，另外两个孔道外接卡套接头12，分别作为气体的输入端口14和气体的输出端口15。
五个孔道的中轴线均在同一平面上，且气体输入端口14和气体输出端口15处于相对位置，中轴线重合，保证气路畅通。另外，两个加热棒插入端口位于靠近腔璧的两侧，防止遮盖样品放置处17，保证光路畅通。电极接头插入端口16则位于外侧腔璧三角的截面处，上电极接头9以倾斜的角度插入，可使插入后的上电极接头9的端头靠近样品放置处17，方便样品与测试电极之间的接线，但同样不能遮蔽样品放置处17，导致光路无法照射到样品表面。
结合图1可知，加热棒8，上电极接头9外设置有陶瓷套，起到保护以及绝缘的作用。陶瓷套的尺寸与插入端口的尺寸吻合，从而保证良好的气密性。
结合图1和图2a的轴测图可知，上腔4顶部中心处开有圆形窗口，窗口处安置有石英玻璃6，可容光路通过，并利用螺纹上法兰7连接石英玻璃6与上腔4，形成可拆式密闭结构。为保证气密性，在上法兰7与石英玻璃6的连接处，以及石英玻璃6与上腔4窗口的连接处都设置有环形的石墨垫片二5。
结合图3a可知，所述中板为三层结构，外层为不锈钢方框，中层内置方形陶瓷片，陶瓷片中心留有方形槽，用于放置待测样品，槽底开有方形孔，便于待测样品与下腔气室中的反应气体接触。
结合图1和图3a-d可知，样品放置处安置于中板整体的中心位置，即样品放置处与石英玻璃的中轴线重合。并且石英玻璃应该保证良好的透光性，通过石英玻璃窗口，可以看见完整的样品。
结合图1和图4a-e可知，下腔1的腔璧处设置有六个贯穿孔道，其中四个孔道作为零部件的插入端口，分别为两个加热棒插入端口13，一个电极接头插入端口16，和一个温度传感器插入端口18，另外两个孔道外接卡套接头12，分别作为气体的输入端口14和气体的输出端口15。
具体的，五个孔道的中轴线均在同一平面上，且气体输入端口14和气体输出端口15处于相对位置，中轴线重合，保证气路畅通。另外，两个加热棒插入端口位于靠近腔璧的两侧，防止遮盖样品放置处17，保证光路畅通。电极插入端口则位于外侧腔璧三角的截面处，下电极接头10以倾斜的角度插入，可使插入后的下电极接头10的端头靠近样品放置处17，方便样品与测试电极之间的接线，但同样不能遮蔽样品放置处17，导致光路无法照射到样品表面。
Claims (10)
1.一种用于全固态光电水解的反应器，其特征在于，轴向上依次包括上腔(4)、中板(3)、下腔(1)，上腔(4)与下腔(1)内的腔体开口相对设置，三者通过螺栓连接形成可拆卸的封闭系统；所述上腔(4)的顶部开有窗口，窗口处设有用于光路通过并照射到样品上的石英玻璃(6)，石英玻璃(6)通过其上方的上法兰(7)固定于上腔(4)的窗口内，上法兰(7)与上腔(4)之间形成可拆卸的密闭结构；上腔(4)、下腔(1)的腔壁内沿的不同位置处分别设有用于部件通过的多个孔道；中板(3)上设有用于插设样品的样品放置处(17)。
2.如权利要求1所述的用于全固态光电水解的反应器，其特征在于，所述上腔(4)、中板(3)、下腔(1)的材质均为不锈钢或陶瓷，其长与宽均相同，且中轴线的位置重合。
3.如权利要求1所述的用于全固态光电水解的反应器，其特征在于，所述样品放置处(17)位于中板(3)的中心。
4.如权利要求1所述的用于全固态光电水解的反应器，其特征在于，所述上腔(4)、下腔(1)内的孔道方向与所述反应器的轴向垂直。
5.如权利要求1或4所述的用于全固态光电水解的反应器，其特征在于，所述部件包括加热棒(8)、上电极接头(9)/下电极接头(10)、温度传感器(11)和卡套接头(12)中的至少一种；上腔(4)或下腔(1)上相应孔道的露出端口分别为加热棒插入端口(13)、电极接头插入端口(16)、温度传感器插入端口(18)、气体输入端口(14)/气体输出端口(15)。
6.如权利要求5所述的用于全固态光电水解的反应器，其特征在于，所述上腔(4)内设有五个孔道，下腔(1)内设有六个孔道；其中，上腔(4)的五个孔道中，三个孔道分别用于两根加热棒和一根电极接头通过，且各部件之间互不接触，剩余两个孔道处于相对位置，并与上腔(4)的中轴线重合，用于外接卡套接头(12)；下腔(1)的五个孔道中，四个孔道分别用于两根加热棒、一根温度传感器和一根电极接头通过，且各部件之间互不接触，剩余两个孔道处于相对位置，并与下腔(1)的中轴线重合，用于外接卡套接头(12)。
7.如权利要求5所述的用于全固态光电水解的反应器，其特征在于，所述的上电极接头(9)或下电极接头(10)为外部包覆有陶瓷管的导电金属棍，导电金属从陶瓷管的两端露出。
8.如权利要求1所述的用于全固态光电水解的反应器，其特征在于，所述上腔(4)、下腔(1)内的腔体为方形腔。
9.如权利要求1所述的用于全固态光电水解的反应器，其特征在于，所述中板(3)与上腔(4)、下腔(1)之间均设有石墨垫片一(2)；所述石英玻璃(6)与上法兰(7)、上腔(4)之间均设有石墨垫片二(5)。
10.如权利要求1所述的用于全固态光电水解的反应器，其特征在于，所述的石英玻璃(6)位于上腔(4)顶部的中心位置，即石英玻璃(6)的中心与样品放置处(17)的中轴线重合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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