光热释电催化反应装置、系统及应用的制作方法

1.本发明涉及光催化反应技术领域，特别是涉及一种光热释电催化反应装置、系统及应用。


背景技术：

2.太阳能一种目前已知的较易于获取的清洁能源，对于太阳能的开发利用具有重要意义，通过使用太阳能来取代化石能源燃烧将会有效减少二氧化碳等温室气体的排放，同时减轻随之而来的各种环境问题。
3.然而对于太阳能的开发利用还有待进一步的挖掘，例如，发明人所意识到的：将太阳能随时间变化的因素充分考虑进来后可以发现，太阳光不仅可以具有光化学效应还可以产生热效应，也就是说，除了通过激发产生半导体材料中光生电子空穴对之外还会对于受到光照的表面加热。对于太阳光的热效应来说它具有很大的波动性，也就是说，不仅在空间上光热资源分布不均匀，同样的在时间上具有很强的依赖，在一天之中太阳光照射在物体表面所能产生的温度会受到云朵、风力以及水流随时变化。
4.因此，从光催化反应出发，发明人意识到：进一步利用光热随时间变化的温度梯度是十分有必要的，更确切地来说，是考察催化剂在随时间变化的温度梯度与光化学共同做下的催化性能是十分重要的，在本发明中，发明人设计了一种光热释电催化反应系统，该系统中联合气相色谱仪，可用于测定光催化反应的催化性能，例如光催化分解水的催化性能等。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种光热释电催化反应装置、系统及应用，采用本发明可以测定有光照或无光照条件下反应中溶液温度随时间变化情况下；可以完成光化学与热释电效应作用下的催化反应性能的检测。
6.本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
7.根据本发明的一个方面，本发明提供一种光热释电催化反应装置，包括：
8.反应器，其下部置于水冷槽中，上部设置有石英玻璃，所述反应器的上方设置有光源和遮挡组件；
9.循环管路，包括第一循环管路和第二循环管路，分别与所述水冷槽连通，用于对水冷槽中水进行加热和降温，从而调节反应器内溶液温度；
10.温度监测装置，与所述反应器连通，用于监测反应器内的温度变化，包括第一检测仪和第二检测仪，其中，所述第一检测仪伸入反应器内并置于溶液中用于检测溶液温度，所述第二检测仪伸入反应器内用于检测溶液表面温度。例如，当催化剂可以漂浮在溶液表面时，检测溶液表面催化剂温度；当催化剂在溶液中为非漂浮状态时，检测溶液表面温度。
11.根据本发明的另一个方面，本发明提供的一种光热释电催化系统，包括：气相色谱仪和本发明所述的光热释电催化反应装置，所述气相色谱仪分别与所述反应器和温度监测
装置连接。
12.可选地，所述遮挡组件包括：挡板、与所述挡板连接的机械连杆，通过控制机械连杆，带动挡板移动，从而控制反应是否在光照条件下进行。
13.可选地，所述第一循环管路中包括：一号循环水机，位于所述一号循环水机两侧的第一电动三通阀和第二电动三通阀，以及第一连接管；其中，第一连接管连接第一电动三通阀和第二电动三通阀，第一电动三通阀、第一连接管、第二电动三通阀以及一号循环水机形成第一自循环管路；通过控制第一电动三通阀和第二电动三通阀，导通第一循环管路或第一自循环管路。
14.可选地，所述第二循环管路中包括：二号循环水机，位于所述二号循环水机两侧的第三电动三通阀和第四电动三通阀，以及第二连接管；其中，第二连接管连接第三电动三通阀和第四电动三通阀，第三电动三通阀、第二连接管、第四电动三通阀以及二号循环水机形成第二自循环管路；通过控制第三电动三通阀和第四电动三通阀，导通第二循环管路或第二自循环管路。
15.可选地，所述第一循环管路在与反应器连接的入口和出口处均设置有止回阀。
16.可选地，所述第二循环管路在与反应器连接的入口和出口处均设置有止回阀。
17.可选地，所述反应器连接有气体管道，且所述气体管道从反应器的侧壁伸入反应器底部。
18.可选地，所述系统还包括尾气处理装置，所述尾气处理装置与反应器连通。
19.根据本发明的还一个方面，本发明提供的一种光热释电催化系统在催化反应性能测定中的应用。
20.可选地，所述应用包括：在无光照情况下，通过第一循环管路和第二循环管路调节反应器内溶液温度，通过温度监测装置检测反应器内溶液温度随时间的变化；在光照情况下，通过第一循环管路和第二循环管路，保持反应器内溶液温度恒定，通过控制遮挡组件的移动，控制光源照射时间，通过温度监测装置检测反应器内溶液温度随时间的变化，并通过温度监测装置检测检测溶液表面温度变化；通过气相色谱仪，对无光照情况下和/或光照情况下，催化反应的产物性能进行检测。
21.可选地，所述催化反应为催化剂条件下催化分解水反应；所述气相色谱仪对催化分解水的产氢量进行检测。
22.与现有技术相比，本发明可以测定有光照或无光照条件下反应中溶液温度随时间变化情况下；可以完成光化学与热释电效应作用下的催化反应性能的检测。例如，可以测定在没有光照下催化分解水时温度随时间变化情况，也可以测定光照产生光化学与热释电效应作用下的催化性能等。
附图说明
23.图1是本发明光热释电催化反应装置中反应器和遮挡组件的结构示意图；
24.图2是本发明光热释电催化系统的结构示意图；
25.图3是本发明应用实施例1在没有光照情况下，反应器内溶液温度随时间变化；
26.图4是本发明应用实施例2在有光照情况下，反应器内溶液温度随时间的变化，以及反应器内溶液表面温度随时间变化；
27.图5是本发明应用实施例3催化分解水的性能测定结果对比图。
28.图1
‑
图2中，100反应器，110水冷槽，120石英玻璃，130遮挡组件，1310挡板，1320机械连杆，140密封圈，150夹具，d、o、e、c、n、j、k、l、m均为水嘴，其中n和o用于连接温控器，d和e用于连接气相色谱仪，c用于连接尾气处理装置，m和j以及k和l用于连接循环管路；21一号循环水机，22二号循环水机，211第一电动三通阀，212第二电动三通阀，223第三电动三通阀，224第四电动三通阀；31温控器，32计算机；40气相色谱仪；50气体管道，51流量计，52氩气钢瓶；60尾气处理装置；71第一止回阀、72第二止回阀、73第三止回阀、74第四止回阀。
29.另外，标号1
‑
16具体说明如下：7和8为一号循环水机两侧接口，1
‑
3分别为第一电动三通阀的三个接口，4
‑
6为第二电动三通阀的三个接口，9和10为二号循环水机两侧接口，11
‑
13为第三电动三通阀的三个接口，14
‑
16为第四电动三通阀的三个接口。
具体实施方式
30.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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.本发明提供的一种光热释电催化反应装置，包括反应器100、循环管路和温度监测装置。其中，循环管路用于调节反应器100内溶液的温度，所述温度监测装置用于检测反应器100内溶液或溶液表面的温度变化。所述循环管路可以采用循环水机完成水循环，所述温度监测装置可包括温控器31和与其连接的计算机32等测温/监控构件，温控器31可以为温度检测仪。
32.本发明上述光热释电催化反应装置，通过反应器100、光源(未示出)、循环管路和温度监测装置，可以完成随时间变化的温度梯度的测试，可以用于检测反应器100内溶液随温度的变化曲线，以及特定催化剂样品随温度的变化曲线。其中，特定催化剂样品随温度的变化曲线测定可以通过测定溶液表面温度完成，当催化剂漂浮溶液表面时，也可以直接测定漂浮的催化剂的温度，当催化剂为粉末状时候，测定溶液表面温度即可。
33.图1示意性地示出了光热释电催化反应装置中反应器100和遮挡组件130的结构，如图1所示，所述反应器100的下部放置在水冷槽110中。所述反应器100的顶部具有向外延伸的边沿，石英玻璃120置于反应器100顶部，且两端采用密封圈140密封，然后通过夹具150将石英玻璃120与反应器100顶部边沿夹紧固定。本发明中，可以在所述反应器100的上方设置光源，在光源与反应器100之间设置遮挡组件130。如图1所示，所述遮挡组件130可以包括：挡板1310、与所述挡板1310连接的机械连杆1320，通过控制机械连杆1320，带动挡板1310移动，从而控制光源是否照射反应器100，即控制催化反应是否在光照条件下进行。
34.本发明提供的一种光热释电催化系统，包括气相色谱仪40和所述光热释电催化反应装置，所述气相色谱仪40分别与所述反应器100和温度监测装置连接。
35.本发明该系统中气相色谱仪40连接计算机32可以测定反应器100内催化产物性能，例如催化反应产生的气体成分和物质的量等相关信息。该系统可以实现：在没有光照只具有温度随时间变化情况下催化反应的性能，例如催化分解水的性能；在有光照作用下产
生的光化学与热释电效应作用下的催化性能测试；只要通过温度监测装置中的温度检测仪，例如热电偶或者红外测温仪，来测定反应器100内溶液以及溶液表面积特定催化剂的温度随时间的变化。
36.图2示意性示出了本发明中一种光热释电催化系统的结构。如图2所示，所述循环管路可以包括第一循环管路和第二循环管路，两循环管路分别与所述水冷槽110连通，以对水冷槽110中水进行加热和降温，从而调节反应器100内溶液温度。优选地，第一循环管路和第二循环管路的循环方向相反，以便提高温控效果，例如，可以采用第一循环管路(即21
‑
211
‑
71
‑
100
‑
72
‑
212
‑
21)进行加热，采用第二循环管路(即22
‑
224
‑
73
‑
100
‑
74
‑
223
‑
22)进行降温。其中两循环管路与反应器100的连接入口和出口均设置有止回阀，具体地，第一循环管路与反应器100连接的入口和出口分别设置有第一止回阀71、第二止回阀72，第二循环管路与反应器100连接的入口和出口分别设置有第三止回阀73、第四止回阀74。
37.所述第一循环管路中可以包括：一号循环水机21，位于所述一号循环水机21两侧的第一电动三通阀211和第二电动三通阀212，以及连接第一电动三通阀211和第二电动三通阀212的第一连接管。其中，第一电动三通阀211、第一连接管、第二电动三通阀212以及一号循环水机21可以形成第一自循环管路。通过控制第一电动三通阀211和第二电动三通阀212，导通第一循环管路或第一自循环管路。进一步地，通过继电器控制三通阀中间四分之三球形堵头的方式来控制三管路中任意两路的导通。
38.所述第二循环管路中可以包括：二号循环水机22，位于所述二号循环水机22两侧的第三电动三通阀223和第四电动三通阀224，以及连接第三电动三通阀223和第四电动三通阀224的第二连接管。其中，第三电动三通阀223、第二连接管、第四电动三通阀224以及二号循环水机22可以形成自循环。通过控制第三电动三通阀223和第四电动三通阀224，导通第二循环管路或第二自循环管路。
39.所述温度监测装置与所述反应器100连通，用于监测反应器100内的温度变化。其中，所述温度监测装置可以包括第一检测仪和第二检测仪，其中，所述第一检测仪用于伸入反应器100内并置于溶液中检测溶液的温度，所述第二检测仪用于伸入反应器100内检测溶液/催化剂被光照射表面的温度，进一步地，当催化剂使用漂在表面的泡沫碳时候，可以直接检测漂在溶液表面泡沫碳的温度；当催化剂为非漂浮催化剂，如粉末状时，可以直接检测溶液表面温度。所述第一检测仪和第二检测仪可以为热电偶、红外测温仪等温控器31，例如第一检测仪可以为第一热电偶，第二检测仪为第二热电偶。需要说明的是，本发明此处温度监测装置中包含与检测仪连接的计算机32，用于记录并绘制温度时间变化曲线。需要说明的是，第一检测仪和第二检测仪分别检测的是溶液内和溶液表面温度，两者是存在差异，尤其是温度随时间的变化速率。
40.进一步地，本发明反应器100还连接有气体管道50，具体地，所述气体管道50从反应器100的侧壁伸入反应器100底部。如图2所示，气体管道50一端与氩气钢瓶52连接，另一端连接反应器100，且气体管道50中还设置有流量计51，以对气体流量进行监测。
41.可选实施例中，本发明所述系统还可以包括尾气处理装置60，所述尾气处理装置60与反应器100的上部连通，以对反应器100内产生的尾气进行处理，从而保证反应器100内反应的顺利进行。
42.本发明光热释电催化反应装置与系统中采用两台循环水机用以设定不同温度，以
得到随时间变化的温度梯度，温度监测装置中可以采用数显式的温控器31、红外测温仪等连接计算机32，温控器31检测数据通过计算机32软件记录温度随时间的曲线，即可完成反应器100内溶液及特定催化剂随温度的变化曲线的记录和绘制。本发明光热释电催化系统中，气相色谱仪40连接计算机32便可测定反应器100内催化产物性能，例如催化反应产生的气体成分及物质的量等，以完成催化性能的检测。本发明可以实现在没有光照只具有温度随时间变化情况下催化反应性能检测，例如催化分解水的性能检测，也可以测试在有光照作用下产生的光化学与热释电效应作用下的催化性能检测，只要通过热电偶或者红外测温仪来测定反应器100内溶液以及特定催化剂的温度随时间的变化。
43.本发明提供一种光热释电催化系统在催化反应性能测定中的应用。进一步地，光热释电催化系统在催化分解水的性能测定中的应用。将本发明应用于催化分解水中，可以快速准确的完成催化性能的测定。例如，在光催化制氢性能检测中，可以考察光热随时间变化的温度梯度，可以考察催化剂在随时间变化的温度梯度与光化学共同做下的催化性能等。
44.可选实施例中，所述应用可以包括：在无光照情况下，通过第一循环管路和第二循环管路调节反应器100内溶液温度，通过温度监测装置检测反应器100内溶液温度随时间的变化。
45.可选实施例中，所述应用还可以包括：在光照情况下，通过第一循环管路和第二循环管路，保持反应器100内溶液温度恒定；通过控制遮挡组件130的移动改变挡板1310位于反应器100上方的位置，即控制光源照射反应器100时间，通过温度监测装置检测溶液温度随时间的变化，并通过温度监测装置检测溶液表面催化剂接收光照射面的温度变化。
46.可选实施例中，所述应用还可以包括：通过气相色谱仪40，对无光照情况下和/或光照情况下，催化反应的产物性能进行检测。例如，在无光照情况下和/或光照情况下，对催化分解水的产氢量进行检测。
47.下面结合具体应用实施例对本发明的应用过程进行如下描述：
48.应用实施例1
49.如图2所示，测试在没有光照的情况下，通过两循环水机测试一定循环次数下反应器100中溶液温度变化。
50.其中，温度是通过从n水嘴伸入反应器100中的第一热电偶测得。采用继电器控制三通阀中间四分之三球形堵头的方式来控制三通阀处任意两路的导通。具体地，一号继电器用于控制第一电动三通阀211和第二电动三通阀212处任意两路的导通，二号继电器用于控制第三电动三通阀223和第四电动三通阀224处任意两路的导通。
51.具体步骤如下：
52.1)先预热一号循环水机21的温度为50度，二号循环水机22的温度为20度。
53.2)先后打开一号与二号继电器，两个继电器工作时间应该相差5min。
54.具体地，一号继电器控制第一电动三通阀211和第二电动三通阀212，导通第一电通三通阀211处的接口1和接口3两路，导通第二电动三通阀212处的接口4和接口6两路，使得50℃的循环水经7
‑1‑3‑
k
‑
l
‑6‑
4。同时，在此期间，通过二号继电器导通第三电动三通阀223处接口11和接口13两路，导通第四电动三通阀224处的接口14和接口16两路，即二号循环水机22中的20℃度的水流经9
‑
11
‑
13
‑
16
‑
14
‑
10(处于自循环状态即短路状态)；也就是
说，这5min的时间里是一号循环水机21给反应器100逐渐加热过程。
55.5min后，控制一号继电器导通第一电动三通阀211处的接口1和接口2两路，导通第二电动三通阀212处的接口4和接口5两路，此时一号循环水机21开始自循环即处于短路状态，使得一号循环水机21内的水不再流经反应器100。同时控制二号继电器导通第三电动三通阀223处接口11和接口12两路，导通第四电动三通阀224处的接口14和接口15两路(此时接口13和接口16被球形堵头堵上)，二号循环水机22中的水从反方向流经反应器100，使得反应器100开始逐渐降温，此时水流经的路线为：10
‑
14
‑
15
‑
m
‑
j
‑
12
‑
11。
56.3)以十分钟为一个循环，即5min加热再5min降温的方式，通过从n水嘴伸入反应器100且置于溶液中的第一热电偶检测温度t1，并通过计算机32记录下反应器100内溶液的温度变化，结果如图3所示，从图3可以看出，在没有光照情况下，通过设定一号循环水机21的温度为50℃，二号循环水机22的温度为20℃，便可通过第一热电偶测定反应器100内溶液温度t1随时间的变化。
57.应用实施例2
58.该实施例中采用泡沫碳作为催化剂，泡沫碳漂浮在溶液表面，第二检测仪可以直接检测泡沫碳光照射面温度。泡沫碳漂浮在溶液表面可以充分吸收阳光的热量从而产生随时间波动的温度梯度，当然不限于此催化剂，例如粉末催化剂可以悬浮于整个溶液中，可以检测溶液表面温度。
59.具体步骤如下：
60.使用氙灯光源(未示出)通过反应器100顶部石英玻璃120照射漂浮在溶液表面的泡沫碳(未示出)，溶液表面的泡沫碳温度t2通过o水嘴插入反应器100的第二热电偶测得，结果证明，通过本发明所设计的反应器100，在利用光能的前提下也可以得到温度随时间变化的性质。
61.1)通过循环管路控制反应器100温度恒定。具体地，一号继电器导通第一电动三通阀211的接口1和接口3两路，导通第二电动三通阀212接口2和接口5两路，即此时接口2和接口5被球形堵头堵上，使得一号循环水机21处于20℃运行状态。同时通过二号继电器导通第三电动三通阀223的接口11和接口13两路，导通第四电动三通阀224的接口14和接口16两路，即此时接口12和接口15被球形堵头堵上，使得二号循环水机22处于短路状态即自循环状态。也就是说，在此过程中通过一号循环水机保持反应器100的温度恒定。
62.2)通过控制机械连杆1320带动挡板1310往复移动，例如5min遮挡在反应器100上方，隔绝光源的照射，5min缩回使得光源可以充分照射在反应器100上，此处强调的是光照和遮挡循环进行。
63.3)通过穿过反应器100的o水嘴的第二热电偶检测温度t2，具体地，是检测反应器100内溶液表面漂浮的泡沫碳表面的温度的变化，并通过计算机32记录，结果如图4所示，图4中，t1为在光照情况下通过第一热电偶测定的反应器100内溶液温度随时间的变化，t2为放入一片泡沫碳催化剂后通过第二热电偶检测的泡沫碳接受光照射面的温度随时间的变化。
64.应用实施例3
65.在前两个应用实施例的基础上，选用单晶硫化镉纳米线，在无光热释电、恒温光催化以及光热热释电的条件下，对光催化分解水进行催化性能检测。
66.图5示意性示出了三种情况下的检测结果对比图。图5中，热释电是指没有光照下
单纯温度梯度下的催化分解水产氢性能；光催化是指恒定光照且20℃恒温下的光催化分解水产氢性能；光
‑
热热释电是指恒温且光照与暗态循环进行条件下光催化分解水产氢性能。
67.热释电：无光照条件下，对应50mg硫化镉纳米线由两循环水机控制20℃与50℃分别保温5min的方式，1h的产氢性能。具体地，该检测结果是采用应用实施例1中的方式，无光照条件下，通过电动三通阀在5min 5min中的循环周期里短路某一台循环水机，在某时刻只有一台循环水机的水流经反应器实现的。
68.光催化：光照条件下，对应20摄氏度恒温时，1h的产氢性能。其中，该检测结果是采用应用实施例2中的方式，光照条件下，让一台循环水机始终处于短路自循环状态，保持另一台循环水机水温恒定且让其内水一直流经反应器实现的。
69.光
‑
热释电：通过遮挡组件130来实现光照和暗态的循环进行，且过程中，一台循环水机始终不工作，另一台循环水机在光照时处于短路自循环状态，暗态时处于保持水温恒定状态。
70.具体地，对应5min有光照，5min为暗态同时水冷，循环2h的产氢量；也就是说，有光与暗态依次循环2h，相当于是总共1h光照和1h暗态。其中，暗态同时水冷步骤中，通过遮挡组件130遮挡光源后，整个装置处于无光的状态，此时两台循环水机只有一台工作且供水设定为20℃，在遮光时水流经反应器为反应器降温；而在光照时该循环水机被短路处于自循环状态，另一台循环水机始终不工作且其内的水也不会流动。
71.从图5可以看出：光热释电催化产氢的性能要优于无光情况下热释电产氢的性能。一方面体现了光热热释电作为一种新型的催化模式，其同时具有光化学作用以及热释电催化效应，是一种更能利用光热随时间波动制造化学品的方式；另一方面也验证了本发明在测试光热热释电催化反应如催化产氢的应用上的所起到的作用。可见，本发明装置和系统对于光热释电催化性能的检测具有很重要的意义。
72.本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。