一种基于燃料电池形式设计的光电催化合成氨反应器的制作方法

1.本发明涉及一种光电催化合成氨反应器，具体涉及一种基于燃料电池形式设计的光电催化合成氨反应器。


背景技术：

2.每年人类消耗的能源中约有2％用于制造氮基肥料，其中合成氨是这种工业原料的主要来源。目前，工业合成氨使用haber
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bosch工艺，这是一种高能量输入的合成方式，需要高温(400
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500℃)和高压(150
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250atm)才能较为有效地将n2转化为nh3。为了减少nh3合成的能量输入和温室气体排放，光催化合成氨得到了长足的发展。使用阳光和半导体光催化剂进行光催化合成nh3是将n2还原为nh3(通常使用水作为还原剂)的一种更有前景的策略。
3.目前半导体光催化剂的发展已经趋于平稳，对于催化剂的利用则是另一个需要考虑的方面。合理的反应器设计形式可以增强光催化剂的工作能力。目前光电催化合成氨反应器的设计，主要聚焦在膜电极反应器由气相主体扩散至催化剂膜后发生反应以及通过鼓泡的装置来强化阴极池内的氮气传质，使其在催化剂层表面形成不均匀的气液固三相反应面。但其反应强化效果均不是特别理想，因此需要开发一种新型的光电催化合成氨反应器，在微观层面上强化反应的传质及反应步骤，达到光电催化合成氨的工业要求产率，合理将催化剂与反应器结合。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于燃料电池形式设计的光电催化合成氨反应器，该反应器的反应强化效果优异。
5.为达到上述目的，本发明所述的用于光电催化合成氨的高效光阴极反应器包括依次相连接的光阴极石英流道板、光阴极催化剂板、光阴极质子交换池、质子交换膜夹板、阳极质子交换池、阳极板及后盖板，其中，光阴极催化剂板、光阴极质子交换池、质子交换膜夹板、阳极质子交换池及阳极板均为中空结构；
6.光阴极石英流道板上正对光阴极催化剂板的侧面上设置有s型半圆截面流道，其中，光阴极石英流道板上设置有与s型半圆截面流道的端部相连通的光阴极石英流道板入口及光阴极石英流道板出口。
7.光阴极石英流道板、光阴极催化剂板、光阴极质子交换池、质子交换膜夹板、阳极质子交换池、阳极板及后盖板通过若干螺丝相连接。
8.光阴极石英流道板、光阴极催化剂板、光阴极质子交换池、质子交换膜夹板、阳极质子交换池、阳极板及后盖板之间均设置有橡胶密封垫。
9.光阴极催化剂板的中部设置有基底，其中，基底上设置有催化剂层。
10.基底的材质为fto/ito玻璃或碳布。
11.光阴极催化剂板及阳极板的端面上设置有电极夹片。
12.光阴极质子交换池及阳极质子交换池的端面上设置有进液接嘴及出液接嘴。
13.质子交换膜夹板夹入有质子交换膜。
14.阳极板为铂片。
15.本发明具有以下有益效果：
16.本发明所述的光电催化合成氨反应器在具体操作时，包括依次相连接的光阴极石英流道板、光阴极催化剂板、光阴极质子交换池、质子交换膜夹板、阳极质子交换池、阳极板及后盖板，光阴极石英流道板上正对光阴极催化剂板的侧面上设置有s型半圆截面流道，在工作时，反应原液在s型半圆截面流道内流动的过程中，氮气饱和反应原液与光阴极催化剂板以层流流动形式接触，以提高反应强化效果，结构简单，操作方便，实用性极强。
附图说明
17.图1为本发明分解图；
18.图2为本发明的组装图；
19.图3为光阴极石英流道板1的示意图；
20.图4为光阴极质子交换池3的示意图；
21.图5为光阴极催化剂板2的示意图。
22.其中，1为光阴极石英流道板、2为光阴极催化剂板、3为光阴极质子交换池、4为质子交换膜夹板、5为阳极质子交换池、6为阳极板、7为后盖板、8为光阴极石英流道板入口、9为光阴极石英流道板出口、10为出液接嘴、11为进液接嘴、12为电极夹片。
具体实施方式
23.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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。
24.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
25.参考图1至图5，本发明所述的用于光电催化合成氨的高效光阴极反应器包括依次相连接的光阴极石英流道板1、光阴极催化剂板2、光阴极质子交换池3、质子交换膜夹板4、阳极质子交换池5、阳极板6及后盖板7，其中，光阴极催化剂板2、光阴极质子交换池3、质子交换膜夹板4、阳极质子交换池5及阳极板6均为中空结构，光阴极石英流道板1、光阴极催化剂板2、光阴极质子交换池3、质子交换膜夹板4、阳极质子交换池5、阳极板6及后盖板7通过螺丝相连接，且光阴极石英流道板1、光阴极催化剂板2、光阴极质子交换池3、质子交换膜夹板4、阳极质子交换池5、阳极板6及后盖板7之间均设置有橡胶密封垫。
26.光阴极石英流道板1上正对光阴极催化剂板2的侧面上设置有s型半圆截面流道，
其中，光阴极石英流道板1上设置有与s型半圆截面流道的端部相连通的光阴极石英流道板入口8及光阴极石英流道板出口9。
27.光阴极催化剂板2的催化剂面正对s型半圆截面流道，s型半圆截面流道内的反应原液与催化剂层以层流流动形式接触。
28.光阴极催化剂板2的中部设置有基底，其中，基底上设置有催化剂层，且基底的材质为fto/ito玻璃或碳布，光阴极催化剂板2及阳极板6的端面上设置有电极夹片12。
29.光阴极质子交换池3及阳极质子交换池5的端面上设置有进液接嘴11及出液接嘴10，用于电解质溶液通入及通出，质子交换膜夹板4夹入有质子交换膜。
30.阳极板6为铂片，在工作时，阳极板6产生质子后的副产物氧气从阳极质子交换池5上的出气口排出。
31.在工作时，通过进液接嘴11向光阴极质子交换池3及阳极质子交换池5中通入电解质溶液，用于质子扩散，向光阴极石英流道板入口8通入预混合的饱和氮气电解质溶液作为反应原液，反应原液在s型半圆截面流道内流动的过程中，氮气饱和反应原液与光阴极催化剂板2接触，被光催化还原成氨，最终从光阴极石英流道板出口9被带出。
32.在工作时，可以增加聚光器，利用聚光器将光汇聚到光阴极催化剂板2的上方。
33.催化剂层有定期耗损后，需要定期更换光阴极催化剂板2，更换光阴极催化剂板2时，需要将光阴极质子交换池3内的电解液放空，将光阴极石英流道板1拆除后，即可更换覆盖催化剂层的基底，更换完成后重新装配，进项下一阶段的生产。