CN217068843U - 一种智能微型光电催化反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种智能微型光电催化反应装置，将气路液路系统、光电催化反应池、在线检测设备等进行智能化、微型化、模块化设计并集成为一套装置，通过气路和液路源源不断为光电催化反应池提供反应所需的原料气和电解液，并采用流动相在线检测体系对反应后全组分进行定量分析，集成化装置实用性强，测试反应体系活性比同领域成数量级提高，是对光电催化领域的重大突破。

Description

一种智能微型光电催化反应装置

技术领域

本实用新型实施例涉及光电催化技术领域，具体涉及一种智能微型光电催化反应装置。

背景技术

光电催化技术的主要目的是将光催化与电催化协同作用突破单独使用光催化或电催化性能低下的瓶颈。针对光电催化的技术方案商业上通常采用静态反应池，典型案例如光电催化CO₂还原，但静态反应池存在明显缺陷，在于特定反应条件下反应容易达到平衡，并且该模式不利于数据收集及推动工业化生产的发展。少数流动相光电催化反应池存在漏液、漏气问题，且CO₂还原反应活性依然很低。

实用新型内容

为此，本实用新型实施例提供一种智能微型光电催化反应装置，以解决现有采用静态反应池的光电催化存在的以上技术问题。

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：一种智能微型光电催化反应装置，所述装置包括至少一路气路系统、至少一路循环液路系统、光电催化反应池以及在线检测设备；

所述气路系统和液路系统集成设置在第一柜体内，所述光电催化反应池设置在第二柜体内，所述气路系统通过管路连接所述光电催化反应池的进气口，所述液路系统包括用于存储电解液的原料罐，所述原料罐通过管路连接所述光电催化反应池的进液口，且所述光电催化反应池的出液口通过循环管路连接所述原料罐以实现电解液的循环，所述光电催化反应池通过管路连接所述在线检测设备。

进一步地，所述气路系统包括依次连接的针阀、过滤器、第一压力表、减压阀、第二压力表、质量流量器、单向阀以及压力传感器，所述针阀设置在第一柜体的外侧壁上，所述第一压力表、减压阀以及第二压力表设置在所述第一柜体的外表面，所述质量流量器、单向阀以及压力传感器设置在所述第一柜体的内部。

进一步地，所述液路系统还包括与所述原料罐连接的球阀，所述球阀连接蠕动泵，所述蠕动泵连接光电催化反应池的进液口，所述循环管路上设置有氧传感器，所述原料罐、球阀、蠕动泵以及氧传感器均设置在所述第一柜体的内部并靠近柜门处。

进一步地，所述气路系统包括第一气路系统和第二气路系统，所述液路系统包括第一液路系统和第二液路系统，所述第一柜体和第二柜体之间设置有三通球阀，所述第二气路系统和所述第二液路系统均连接所述三通球阀，并通过所述三通球阀连接至光电催化反应池。

进一步地，所述第二柜体为暗箱，所述第二柜体外侧设置有于为光电催化反应池提供光电催化反应所需要的光源，所述光源前侧设置有快门。

进一步地，所述第二柜体内还设置有三轴运动模组，所述光电催化反应池连接所述三轴运动模组，通过所述三轴运动模组驱动光电催化反应池的上下左右移动以适应光源位置。

进一步地，所述光电催化反应池与在线检测设备之间的管路上依次设置有球阀、干燥罐以及针阀，所述干燥罐内设置有过滤器，所述干燥罐和针阀之间连接有用于放空的球阀，球阀、干燥罐以及针阀均设置在所述第二柜体的内部。

进一步地，所述装置还包括电化学工作站，所述电化学工作站用于为光电催化反应池提供光电催化反应所需要的电催化条件。

进一步地，所述第一柜体上还设置有触屏中控机，用于对配气配液条件参数、光电催化反应条件参数和色谱在线检测条件参数在液晶显示屏上进行实时监测、显示和控制，以及在线分析反应结果和后处理反应结果。

进一步地，所述光电催化反应池包括两室三电极反应池和三室三电极反应池，并采用质子交换膜将阴极室和阳极室隔开。

本实用新型实施例具有如下优点：

本实用新型实施例提出的一种智能微型光电催化反应装置，将气路液路系统、光电催化反应池、在线检测设备等进行智能化、微型化、模块化设计并集成为一套装置，通过气路和液路源源不断为光电催化反应池提供反应所需的原料气和电解液，并采用流动相在线检测体系对反应后全组分进行定量分析，集成化装置实用性强，测试反应体系活性比同领域成数量级提高，是对光电催化领域的重大突破。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本实用新型实施例1提供的一种智能微型光电催化反应装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1提供的一种智能微型光电催化反应装置的第一柜体内部结构示意图；

图3为本实用新型实施例1提供的一种智能微型光电催化反应装置的第二柜体内部结构示意图；

图4为本实用新型实施例1提供的一种智能微型光电催化反应装置的光源示意图。

图中：气路系统1、液路系统2、光电催化反应池3、在线检测设备4、第一柜体5、第二柜体6、三通球阀7、光源8、三轴运动模组9、触屏中控机10、针阀11、过滤器12、第一压力表13、减压阀14、第二压力表15、质量流量器16、单向阀17、压力传感器18、原料罐21、球阀22、蠕动泵23、氧传感器24、球阀41、干燥罐42、针阀43、球阀44、快门81。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提出了一种智能微型光电催化反应装置，该装置包括至少一路气路系统1、至少一路循环液路系统2、光电催化反应池3以及在线检测设备4。

气路系统1用于为光电催化反应池3提供原料气，液路系统2用于为光电催化反应池3提供循环电解液，包括阳极电解液和阴极电解液。气路系统1 和液路系统2集成设置在第一柜体5内，光电催化反应池3设置在第二柜体6 内，气路系统1通过管路连接光电催化反应池3的进气口，液路系统2包括用于存储电解液的原料罐21，原料罐21通过管路连接光电催化反应池3的进液口，且光电催化反应池3的出液口通过循环管路连接原料罐21以实现电解液的循环，光电催化反应池3通过管路连接在线检测设备4。在线检测设备4包括气相或液相色谱检测设备可用于采用流动相在线检测方式对反应后全组分进行定量分析。

本实施例中，如图1和图2所示，气路系统1包括依次连接的针阀11、过滤器12、第一压力表13、减压阀14、第二压力表15、质量流量器16、单向阀17以及压力传感器18，针阀11设置在第一柜体5的外侧壁上，第一压力表13、减压阀14以及第二压力表15设置在第一柜体5的外表面，质量流量器16、单向阀17以及压力传感器18设置在第一柜体5的内部。

本实施例中，如图1和图2所示，液路系统2还包括与原料罐21连接的球阀22，球阀22连接蠕动泵23，蠕动泵23连接光电催化反应池3的进液口，循环管路上设置有氧传感器24，原料罐21、球阀22、蠕动泵23以及氧传感器24均设置在第一柜体5的内部并靠近柜门处，打开柜门可对柜体内设备进行检查和维护。

本实施例中，气路系统1包括第一气路系统和第二气路系统，分别用于供应不同的原料气，液路系统2包括第一液路系统和第二液路系统，分别用于供应阳极电解液和阴极电解液，第一柜体5和第二柜体6之间设置有三通球阀7，第二气路系统1和第二液路系统2均连接三通球阀7，并通过三通球阀7连接至光电催化反应池3。

本实施例中，如图3所示，光电催化反应池3与在线检测设备4之间的管路上依次设置有球阀41、干燥罐42以及针阀43，干燥罐42内设置有过滤器，干燥罐42可对反应后气体起到干燥和稳流池的作用。干燥罐42和针阀43之间连接有用于放空的球阀44，球阀41/44、干燥罐42以及针阀43均设置在第二柜体6的内部。

本实施例中，第二柜体6为暗箱，如图4所示，第二柜体6外侧设置有于为光电催化反应池3提供光电催化反应所需要的光源8，光源8前侧设置有快门81。第二柜体6内还设置有三轴运动模组9，光电催化反应池3连接三轴运动模组9，通过三轴运动模组9驱动光电催化反应池3的上下左右移动以适应光源位置。

该装置还包括电化学工作站，电化学工作站用于为光电催化反应池3提供光电催化反应所需要的电催化条件。

本实施例中，第一柜体5上还设置有触屏中控机10，用于对配气配液条件参数、光电催化反应条件参数和色谱在线检测条件参数在液晶显示屏上进行实时监测、显示和控制，以及在线分析反应结果和后处理反应结果。触屏中控机10上安装有气相色谱软件和电化学工作站软件。液晶显示屏实时显示控制反应原料气流速度、反应压力和反应温度，显示并控制电催化反应电压和电流，对色谱在线检测条件控制，实时监控记录三大部分采集的数据便于在线分析反应结果和后处理反应结果。

本实施例中，光电催化反应池3包括两室三电极反应池和三室三电极反应池，并采用质子交换膜将阴极室和阳极室隔开。本模块既可以用于气-固-液三相界面的反应体系如典型案例光电催化CO₂还原和环境净化去除VOC，也可以用于反应原料为液体的纯液相光电催化反应体系如光电催化分解水产氢产氧和光电催化固氮。

两室三电极反应池的结构具体包括本体，本体具有内腔，本体内设有第一质子交换膜将内腔分隔成充入反应气体的A腔室和充入电解液的B腔室；其中A腔室称之为阴极室，B腔室称之为阳极室；A腔室设有进出气口，B腔室设有进出液口，可以采用流动相不断给反应池提供反应原料，阴极电极设置于 A腔室内，阳极电极设置于B腔室内，A腔室内设有参比电极。导电碳纸设置于阴极电极和第一质子交换膜之间，导电碳纸表面负载有催化剂。采用质子交换膜将阴极室(A腔室)和阳极室(B腔室)隔开，阴极室用于充高纯反应气体(例如CO₂)，阳极室用于充阳极电解液；负载催化剂的导电碳纸放置于质子交换膜和阴极镀金铜导电板之间，实现了阳极室质子可以通过质子交换膜浸润到导电碳纸的催化剂上；同时阴极室的高纯反应气体可以直接和催化剂表面接触；如此可在催化剂表面形成气-固-液三相界面催化活性中心，大幅度提高了反应物为气体的催化活性。

三室三电极反应池与两室三电极反应池的区别在于：本体内还设有第二质子交换膜，第二质子交换膜将B腔室分隔成充入阴极电解液的B1腔室和充入阳极电解液的B2腔室，其中，A腔室称之为第一阴极室，B1腔室称之为第二阴极室，B2腔室称之为阳极室。B2腔室内设有阳极电极，B1腔室内设有参比电极。本体设有与A腔室连通的进气口和出气口、与B2腔室连通的第一进液口和第一出液口、以及与B1腔室连通的第二进液口和第二出液口。采用三室时，采用两张质子交换膜将内腔隔成第一阴极室、第二阴极室和阳极室，第一阴极室用于充高纯反应气体(例如CO₂)，第二阴极室用于充阴极电解液，第三阴极室用于充阳极电解液。第一阴极室和第二阴极室可分别启用，从而形成实验对比。

采用CO₂还原反应体系为例，分别测试了光催化、电催化和光电催化活性。测试条件为：催化剂负载量2mg/cm²，CO₂高纯气体流速2ml/min，阳极电解液0.1M KOH水溶液，光源T3灯，全光谱15A，500mW/cm²，外加电压-1V。结果如下表，证明了本装置结构功能非常完善，测试反应体系活性比同领域成数量级提高，是本领域的突破性进展。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种智能微型光电催化反应装置，其特征在于，所述装置包括至少一路气路系统、至少一路循环液路系统、光电催化反应池以及在线检测设备；

所述气路系统和液路系统集成设置在第一柜体内，所述光电催化反应池设置在第二柜体内，所述气路系统通过管路连接所述光电催化反应池的进气口，所述液路系统包括用于存储电解液的原料罐，所述原料罐通过管路连接所述光电催化反应池的进液口，且所述光电催化反应池的出液口通过循环管路连接所述原料罐以实现电解液的循环，所述光电催化反应池通过管路连接所述在线检测设备。

2.根据权利要求1所述的一种智能微型光电催化反应装置，其特征在于，所述气路系统包括依次连接的针阀、过滤器、第一压力表、减压阀、第二压力表、质量流量器、单向阀以及压力传感器，所述针阀设置在第一柜体的外侧壁上，所述第一压力表、减压阀以及第二压力表设置在所述第一柜体的外表面，所述质量流量器、单向阀以及压力传感器设置在所述第一柜体的内部。

3.根据权利要求1所述的一种智能微型光电催化反应装置，其特征在于，所述液路系统还包括与所述原料罐连接的球阀，所述球阀连接蠕动泵，所述蠕动泵连接光电催化反应池的进液口，所述循环管路上设置有氧传感器，所述原料罐、球阀、蠕动泵以及氧传感器均设置在所述第一柜体的内部并靠近柜门处。

4.根据权利要求1所述的一种智能微型光电催化反应装置，其特征在于，所述气路系统包括第一气路系统和第二气路系统，所述液路系统包括第一液路系统和第二液路系统，所述第一柜体和第二柜体之间设置有三通球阀，所述第二气路系统和所述第二液路系统均连接所述三通球阀，并通过所述三通球阀连接至光电催化反应池。

5.根据权利要求1所述的一种智能微型光电催化反应装置，其特征在于，所述第二柜体为暗箱，所述第二柜体外侧设置有为光电催化反应池提供光电催化反应所需要的光源，所述光源前侧设置有快门。

6.根据权利要求5所述的一种智能微型光电催化反应装置，其特征在于，所述第二柜体内还设置有三轴运动模组，所述光电催化反应池连接所述三轴运动模组，通过所述三轴运动模组驱动光电催化反应池的上下左右移动以适应光源位置。

7.根据权利要求1所述的一种智能微型光电催化反应装置，其特征在于，所述光电催化反应池与在线检测设备之间的管路上依次设置有球阀、干燥罐以及针阀，所述干燥罐内设置有过滤器，所述干燥罐和针阀之间连接有用于放空的球阀，球阀、干燥罐以及针阀均设置在所述第二柜体的内部。

8.根据权利要求1所述的一种智能微型光电催化反应装置，其特征在于，所述装置还包括电化学工作站，所述电化学工作站用于为光电催化反应池提供光电催化反应所需要的电催化条件。

9.根据权利要求1所述的一种智能微型光电催化反应装置，其特征在于，所述光电催化反应池包括两室三电极反应池和三室三电极反应池，并采用质子交换膜将阴极室和阳极室隔开。

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