CN115404502A

CN115404502A - 一种光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池及应用

Info

Publication number: CN115404502A
Application number: CN202210881505.8A
Authority: CN
Inventors: 董帆; 牟世勇; 肖磊
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2022-07-26
Filing date: 2022-07-26
Publication date: 2022-11-29

Abstract

本发明属于光电催化反应器技术领域，公开了一种光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池及应用，包括水平对置同侧受光构型的气体扩散光电阴极池和气体扩散光电阳极池；气体扩散光电阴极池包括通过螺栓贯穿连接的石英窗片组件、光电阴极液流室、气体扩散光电阴极和阴极流道板，所述光电阴极液流室外端安装有参比电极；所述气体扩散光电阳极池包括通过螺栓贯穿连接的石英窗片组件、光电阳极液流室、气体扩散光电阳极和阳极流道板。本发明将光阴极光阳极优化设计为水平对置同侧受光构型，并且包含气体扩散电极组件，同时提高光电催化转化光能利用率及小分子传质效率，为实际日光光电催化工况提供具有实际应用意义的光电催化反应器。

Description

一种光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池及应用

技术领域

本发明属于光电催化反应器技术领域，尤其涉及一种光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池及应用。

背景技术

光电催化作为当前最有应用前景的新技术之一，与可再生能源耦合，通过光电催化反应将大气中的小分子(如水、二氧化碳和氮气)转化为高附加值产品(例如氢气、醇类、烃类和氨等)。其一方面有利于构筑无化石燃料依赖的清洁能源系统，在减少二氧化碳排放。另一方面可实现绿色合成高附加值大宗化学品，逐步减少对化石燃料的依赖。除开发光电催化剂之外，发展高效光电化学器件是该领域的核心问题，开发高效能光电化学反应器业已引起重视。

目前光电催化反应器发展尚未成熟，反应器尚未形成制式，反应器通常为H 型，其光阴极光阳极位于离子交换膜两侧，受光方向相反，全池光能利用率较低。且相关研究通常聚焦到单一的半反应，如光电阴极端的还原反应(如水还原制氢,二氧化碳还原制高附加值产物，氮还原制氨等)，光阳极端的氧化反应(如水氧化产氧，氮氧化固氮，甲烷氧化制甲醇等)，对两极的协同利用研究尚不多见。此外，常温常压下CO₂、N₂、甲烷等小分子在水溶液体系中溶解度非常小，限制了催化反应传质效率，用于强化传质的气体扩散电极通常应用于电催化反应器。再者，由于光热效应，传统光电催化反应器需要额外散热系统，以维持稳定的工作温度。

因此，为了在实际工况中提高光能利用效率，协同利用光电阴极和光电阳极，增强小分子催化传质效率，降低反应器散热成本，优化光电催化反应器构型势在必行。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

现有的光电催化反应器不能对两极进行协同利用，常温常压下CO₂、N₂、甲烷等小分子在水溶液体系中溶解度非常小，限制了催化反应传质效率，维持工作温度需额外散热组件。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池及应用。

本发明是这样实现的，一种光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池包括：

气体扩散光电阴极池和气体扩散光电阳极池；

所述气体扩散光电阴极池和气体扩散光电阳极池为水平对置同侧受光构型；

所述气体扩散光电阴极池和气体扩散光电阳极池中间夹设有离子交换膜组件。

进一步，所述气体扩散光电阴极池包括通过螺栓贯穿连接的石英窗片组件、光电阴极液流室、气体扩散光电阴极和阴极流道板；

所述气体扩散光电阴极和阴极流道板位于光电阴极液流室下侧，所述石英窗片组件位于光电阴极液流室上侧。

进一步，所述光电阴极液流室外端安装有参比电极；

进一步，所述气体扩散光电阳极池包括通过螺栓贯穿连接的石英窗片组件、光电阳极液流室、气体扩散光电阳极和阳极流道板；

所述气体扩散光电阳极和阳极流道板位于光电阳极液流室下侧，所述石英窗片组件位于光电阳极液流室上侧。

进一步，所述石英窗片组件包括由上至下依次设置的光窗盖板组件、硅胶密封圈和石英窗片。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

相较于传统H型光电催化电解池，光阴极光阳极位于离子交换膜两侧，受光方向相反，光能利用率低，无法在单一光源下进行光电催化阴阳极协同反应。本发明将光阴极光阳极优化设计为水平对置同侧受光构型，并且包含气体扩散电极组件，同时提高光电催化光能利用率及小分子催化传质效率。此外，传统H 型光电催化电解池则需要额外冷却系统，以稳定反应体系温度。本发明中，光线依次通过光窗，液体流动室到达光电极表面，流动液体具有散热功能，从而维持反应体系温度。本发明为实验室光电催化及实际日光光电催化工况提供具有实际应用意义的光电催化反应器。

第二，把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明应用于光电催化时，光阴极光阳极同时受光，驱动光阴极光阳极协同反应，并结合气体扩散电极组件传质优势，具备良好的光能利用率及传质效率。其优点在于：应用于实验室工况下，受益于同侧受光构型，采用单一光源即可满足反应需求，可显著降低光源购置(几千至数万人民币每台)及使用成本 (灯泡耗材、电能成本)。实际日光光电催化工况下，显著提高全池光能利用率。无需额外散热组件即可维持反应体系温度，增强实际工况下工作可靠性。优化气体流场及集流板设计，辅助增强气体传质及保障气体扩散电极电场均匀分布。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

本发明应用于实验室阴阳极协同反应光电催化时，可节省一个光源购置成本、及日常使用耗材、耗电成本。应用于实际日光工况，受益于同侧受光构型，可以增加50％的光能利用率。本发明的散热方式可以节省额外散热装置成本。

(2)本发明的技术方案是否克服了技术偏见：

现阶段光电反应器通常仅针对工作电极部分进行优化，而忽略对电极部分反应器的设计。此外，增强小分子气体传质的气体扩散电极通常用于电催化。本技术方案为光电催化两极协同分析提供具有实用意义的反应器。

附图说明

图1是本发明实施例提供的光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池的部件装配图；

图3是本发明实施例提供的阴极流道板和阳极流道板的结构示意图；

图中：1、光电阴极液流室；2、光电阳极液流室；3、参比电极；4、离子交换膜组件；5、第一光窗盖板组件；6、第一硅胶密封圈；7、第一石英窗片； 8、气体扩散光电阴极；9、阴极流道板；10、阳极流道板；11、气体扩散光电阳极；12、第二石英窗片；13、第二硅胶密封圈；14、第二光窗盖板组件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1至图3所示，本发明实施例提供的光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池由水平对置同侧受光的两个光电半池结构组成，分别为气体扩散光电阴极池1和气体扩散光电阳极池2，以及离子交换膜组件4，光电阴极池包含参比电极3。

气体扩散光电阴极池包括通过螺栓贯穿连接的第一石英窗片组件、光电阴极液流室1、气体扩散光电阴极8和阴极流道板9；气体扩散光电阴极和阴极流道板位于光电阴极液流室下侧，所述第一石英窗片组件位于光电阴极液流室1 上侧。

第一石英窗片组件包括由上至下依次设置的第一光窗盖板组件5、第一硅胶密封圈6和第一石英窗片7。

本发明实施例中的气体扩散光电阳极池包括通过螺栓贯穿连接的第二石英窗片组件、光电阳极液流室2、气体扩散光电阳极11和阳极流道板10；气体扩散光电阳极11和阳极流道板10位于光电阳极液流室2下侧，所述第二石英窗片组件位于光电阳极液流室上侧。

第二石英窗片组件包括由上至下依次设置的第二光窗盖板组件14、第二硅胶密封圈13和第二石英窗片12。

作为优选，光窗材质选择石英材质保障高效的光传播效率，光窗盖板采用机械强度高、耐高温、耐化学药品腐蚀的聚醚醚酮(PEEK)材质加工。

作为优选，液体流动口采用聚醚醚酮(PEEK)材质加工，包含液流进口出口以及参比电极接口。

作为优选，金属流道板采用钛金属材质作为气体流动室，保障气体小分子有效扩散至气体扩散电极，流道构型为S型以及仿生叶脉型。

作为优选，金属流道板作为集流板，分别作为电解池的阴极和阳极，保障气体扩散电极上电场均匀分布。

作为优选，气体扩散光电阴极8和气体扩散光电阳极11采用负载光电催化剂的碳纸或碳布作为气体扩散电极组件。

作为优选，离子交换膜组件4可以根据实际工况中电解液的离子成分及酸碱度选择阴离子交换膜、阳离子交换膜或双极膜。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

实施例1

光电催化双光窗气体扩散电解池应用于光电催化N₂还原

制备p-type BiVO₄光电催化剂，并负载于疏水碳纸上，作为气体扩散光电阴极组件，实现光电催化还原N₂还原制NH₃半反应。制备Ru/TiO₂光阳极催化剂作为光电阳极气体扩散组件，实现N₂氧化制NO₃ ^-。在一个反应池中同时实现还原氧化固氮反应。

实施例2

光电催化双光窗气体扩散电解池应用于光电催化NO还原

制备Cu₂O光电催化剂，并负载于疏水碳纸上，作为气体扩散光电阴极组件，实现光电催化还原NO还原制NH₃半反应。制备Ru/TiO₂光阳极催化剂作为光电阳极气体扩散组件，实现N₂氧化制NO₃ ^-。在一个反应池中同时实现还原氧化固氮反应。

实施例3

光电催化双光窗气体扩散电解池应用于光电催化CO₂还原协同甲烷氧化

制备CuO/Cu₂O光电催化剂，并负载于疏水碳纸上，作为气体扩散光电阴极组件，实现光电催化还原CO₂还原制甲醇半反应。制备Au/ZnO光阳极催化剂作为光电阳极气体扩散组件，实现CH₄氧化制甲醇。在一个反应池中同时实现还原氧化协同制备甲醇反应。

三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

本发明可应用于实验室及日光工况下实施案例列举的阴阳极协同反应光电催化反应。在实验室工况下，可节省一个光源购置成本(约几千至数万人民币每台)，以及降低光源灯泡耗材使用成本(约几百至数千人民币每只)，减少日常耗电成本(光源功率200～1000W/台)。应用于实际日光工况，受益于同侧受光构型，受光面积增加，即光能利用率增加50％。此外，本发明的散热方式可以节省额外散热装置成本，传统H型反应器需增加散热夹套，需要额外的冷却循环水机(成本约几百至数千人民币每台)。相较于传统H型光电催化反应器，在阴阳极协同催化应用性能表现及日常使用成本控制方面具备显著优势。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池，其特征在于，所述光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池包括：

气体扩散光电阴极池和气体扩散光电阳极池；

2.如权利要求1所述的光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池，其特征在于，所述气体扩散光电阴极池包括通过螺栓贯穿连接的石英窗片组件、光电阴极液流室、气体扩散光电阴极和阴极流道板；

3.如权利要求2所述的光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池，其特征在于，所述光电阴极液流室外端安装有参比电极。

4.如权利要求1所述的光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池，其特征在于，所述气体扩散光电阳极池包括通过螺栓贯穿连接的石英窗片组件、光电阳极液流室、气体扩散光电阳极和阳极流道板；

5.如权利要求2或4所述的光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池，其特征在于，所述石英窗片组件包括由上至下依次设置的光窗盖板组件、硅胶密封圈和石英窗片。

6.如权利要求1所述的光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池，其特征在于，所述离子交换膜组件采用阴离子交换膜、阳离子交换膜或双极膜。

7.一种光电催化N₂还原装置，其特征在于，所述光电催化N₂还原装置设置有权利要求1～6任意一项所述的光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池。

8.一种光电催化NO还原装置，其特征在于，所述光电催化NO还原装置设置有权利要求1～6任意一项所述的光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池。

9.一种光电催化CO₂还原协同甲烷氧化装置，其特征在于，所述光电催化CO₂还原协同甲烷氧化装置设置有权利要求1～6任意一项所述的光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池。

10.一种实际日光工况下光电催化反应器，其特征在于，所述实际日光工况下光电催化反应器设置有权利要求1～6任意一项所述的光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池，所述光电催化用水平对置双光窗气体扩散电解池与自助追光装置的偶联应用。