一种流动式气相光电催化反应器的制作方法

1.本实用新型属于气相光电催化领域，具体涉及一种流动式气相光电催化反应器。


背景技术：

2.光催化技术自1972年，日本科学家fujishima和honda首次发表在n-半导体tio2电极上发现水的光电催化分解的报道以来，历经了近50年的发展，因其具有操作简单、能耗低、无二次污染、直接利用太阳光等优点，已广泛应用于环境和能源领域。然而，在光催化体系中，由于光生电子与空穴易于复合，材料自身稳定性不足等原因，导致光催化光利用率和催化都非常低。传统液相光电催化体系虽在光催化的基础上施加偏压，促进了整体光生载流子的分离，但对于气相中的气体分子反应却难以进行，实用性较差。
3.在气相光电催化反应中，通过施加微小偏压形成内电场分离原本被缺陷捕获的载流子，极大的提高到达催化剂界面参加反应的载流子量，并因此提高催化反应效率。比如，cn113061923a公开了一种高活性电化学自掺杂tio2纳米管基材料及其制备与应用，通过对tio2纳米管进行还原增加ti
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和氧空位缺陷，从而大幅度提升其导电性能，并采用方波脉冲沉积方法将金属进一步负载，增加材料表面活性位点以及减小光生电子-空穴复合，得到一种兼具导电性和催化活性tio2纳米管基材料。该材料用于构建气相光电催化体系，将co2还原为烷烃类能源物质，通过施加微小电压，强制将光生载流子分离，相比光催化表现出更高的光生电子-空穴分离效率和催化活性，克服了传统液相光电催化需外加电解质、co2溶解度低、产物难以分离等缺点，且其生成产物均为气态烷烃类碳氢化合物及氧气混合物，易于分离。然而，对于这项全新技术，还未研发出与此技术相关的气相光电催化反应器。
4.所以，现有技术仍缺乏一种能够满足气相光电催化剂使用的气相光电催化反应器。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种流动式气相光电催化反应器，将光照、电场和流动式的气体反应室结合起来，可以在紫外光源的照射并施加微小偏压的条件下，将二氧化碳转化为碳氢化合物能源分子以及降解气相中挥发性的有机污染物，解决了气相中气体反应效率低的问题，本实用新型的详细技术方案如下所述。
6.为实现上述目的，本实用新型提供了一种流动式气相光电催化反应器，包括光电催化反应模块、电路模块、光照模块和固定模块，所述光电催化反应模块包括由透光石英玻璃制成的密封反应室和固定于反应室内部的光电催化片，所述反应室设置有进气管和出气管；
7.所述电路模板包括电路连接件和与电路连接件电连接的偏压电场装置，所述偏压电场装置包括上极板和下极板，所述光电催化片位于所述上极板和所述下极板之间，所述电路连接件与电源连接；
8.所述光照模块包括光源，所述光电催化片位于所述光源的照射方向；
9.所述固定模块用于固定所述反应室和所述偏压电场装置。
10.作为优选，所述进气管和所述出气管均为中空金属螺杆，能够固定所述光电催化片，所述进气管与所述下极板电接触，所述出气管与所述下极板电接触，所述进气管和所述出气管均与所述电源电连接。
11.作为优选，所述固定模块包括固定支架和与固定支架相配合的固定螺栓，所述固定支架和所述固定螺栓通过螺纹连接固定所述反应室和所述偏压电场装置。
12.作为优选，所述固定模块包括固定支架，所述电路连接件(3)为与固定支架相适应的螺纹结构件，所述固定支架和所述电路连接件通过螺纹连接固定所述反应室和所述偏压电场装置。
13.作为优选，所述进气管内部设置有气体流量控制计。
14.作为优选，所述上极板和所述下极板固定于所述反应室内部。
15.作为优选，所述电源为直流稳压电源。
16.作为优选，所述光源包括两组光源，分别位于所述光电催化片的两侧。
17.作为优选，所述光源为紫外光源，光源的功率为1w-10w，光源的波长为300nm-400nm。
18.本实用新型的有益效果有：
19.(1)本实用新型将光照、电场和流动式的气体反应室结合起来，可以在紫外光源的照射对光电催化片施加偏压，将二氧化碳转化为碳氢化合物能源分子以及降解气相中挥发性的有机污染物，大大提高了气体的催化反应效率。
20.(2)本实用新型提供的流动式气相光电催化反应器，是基于高效气相光电催化技术首创研发的，用于诸如二氧化碳还原以及挥发性有机物的净化。在能源和环境领域具有较大的意义。
21.(3)本实用新型与传统光催化和液相光电催化反应器不同，在极大地提升光催化效率的同时还避免了电解质溶液的引入。
22.(4)本实用新型与封闭式气体反应器，能够连续分离收集反应后的气体产物的同时促进传质，可用于能源产物的合成和挥发性有机污染物净化的实际应用。
23.(5)本实用新型提供的流动式气相光电催化反应器，结构简单，组装简便，拆卸方便，便于使用过程中的修理与维护。
附图说明
24.图1是催化反应器主视图；
25.图2是催化反应器侧视图；
26.图3是催化反应器俯视图。
27.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：进气管1、出气管2、电路连接件3、偏压电场装置4、反应室5、光电催化片6、光源7、电源8。
具体实施方式
28.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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
本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
29.实施例
30.一种流动式气相光电催化反应器，如图1-3所示，包括光电催化反应模块、电路模块、光照模块和固定模块，所述光电催化反应模块包括由透光石英玻璃制成的密封反应室5和固定于反应室5内部的光电催化片6，所述反应室5设置有进气管1和出气管2；
31.所述电路模板包括电路连接件3和与电路连接件3电连接的偏压电场装置4，所述偏压电场装置4包括上极板和下极板，所述光电催化片6位于所述上极板和所述下极板之间，所述电路连接件3与电源8连接；所述光照模块包括光源7，所述光电催化片6位于所述光源7的照射方向；所述固定模块用于固定所述反应室5和所述偏压电场装置4。
32.气相光电催化需要在光照和电场条件下进行，所述光照模块通过光源7照射光电催化片6，所述偏压电场装置4用于在光电催化片6施加偏压，通过偏压电场装置4施加偏压，能够促进反应顺利进行。
33.作为优选的实施例，所述进气管1和所述出气管2均为中空金属螺杆，能够固定所述光电催化片6，所述进气管1与所述下极板电接触，所述出气管2与所述下极板电接触，所述进气管1和所述出气管2均与所述电源8电连接。
34.作为优选的实施例，所述固定模块包括固定支架和与固定支架相配合的固定螺栓，所述固定支架和所述固定螺栓通过螺纹连接固定所述反应室5和所述偏压电场装置4。
35.作为优选的实施例，所述固定模块包括固定支架，所述电路连接件3为与固定支架相适应的螺纹结构件，所述固定支架和所述电路连接件3通过螺纹连接固定所述反应室5和所述偏压电场装置4。
36.作为优选的实施例，所述进气管1内部设置有气体流量控制计。所述进气管1用于通过外气路将反应气体注入反应室5中，通过气体流量控制计能够精确控制注入的反应气体。
37.作为优选的实施例，所述上极板和所述下极板固定于反应室5内部。
38.作为优选的实施例，所述电源8为直流稳压电源。
39.作为优选的实施例，所述光源7包括两组光源，分别位于所述光电催化片6的两侧。
40.作为优选的实施例，所述光源7为紫外光源，光源的功率为1w-10w，光源的波长为300nm-400nm。
41.作为优选的实施例，光电催化片6为钛片基底表面覆盖二氧化钛纳米管，所述二氧化钛纳米管上负载有催化剂颗粒。
42.应用实施例
43.应用本实用新型流动式气相光电催化反应器进行二氧化碳还原应用，包括以下步骤：
44.进气管1通过气体流量控制计将湿润的二氧化碳以100μl/min的流速注入反应室5中，使用直流稳压电源通过电路连接件3和偏压电场装置4在光电催化片6两端施加0.5v/cm的电场强度，使用3w的紫外光源发出的365nm紫外光照射到光电催化片6表面，所述光电催化片6上的二氧化碳和水被催化产生碳氢化合物。反应室6中生成气体通过出气管2引出至气相色谱仪检测碳氢化合物的浓度，经换算后得出二氧化碳的转化率。
45.由于反应室起始时已充满湿润的二氧化碳气体，在反应器运行时才开始反应，反应室内的二氧化碳转化率随时间快速上升，在运行时间为45分钟后达到平衡，转化率达到了22.56％，在后续45～90分钟期间转化率一直稳定在22％左右。由此可知，本实用新型提供的流动式气相光电催化反应器进行了二氧化碳还原，对二氧化碳具有优异的转化性能，能够高效还原二氧化碳持续产生碳氢化合物。
46.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。