一种应用于CO2加氢的等离子体耦合光催化装置

一种应用于co2加氢的等离子体耦合光催化装置
技术领域
1.本发明涉及等离子体技术领域，具体涉及一种应用于co2加氢的等离子体耦合光催化装置。


背景技术：

2.目前，化石燃料依然是人类获取能源的主要方式，可再生能源如太阳能、风能等尚处于发展阶段，难以全面替代化石燃料。而化石燃料的燃烧利用不仅将造成能源枯竭，向大气中排放了大量的以二氧化碳为主的温室气体，造成全球气候变暖，引发一系列极端天气问题。因此，降低大气中二氧化碳浓度以及减少人类活动排放的二氧化碳是实现“碳达峰”和“碳中和”目标亟待解决且具有重要意义的研究。由于co2除了是温室气体外，也是一种潜在的“碳资源”，通过直接转化利用方法能将co
2“化废为宝”，不仅能缓解co2排放带来的生态和环境问题，还能实现碳资源的可持续利用。co2加氢可以将co2转化成co、ch4、ch3oh等一系列能源物质，不仅可以降低大气中co2的浓度，将其转化成新型能源物质，解决能源危机和环境危机。此外，氢气可通过电解水、光解水或者可再生能源制取。并且随着制氢方式在日后愈加的环保清洁，所以co2加氢制备高附加值化学品在日后会成为重要的研究课题。
3.目前co2加氢的方式主要有热催化、光催化、等离子体催化等。对于热催化，其对反应器设备提出了更高的要求，增加了成本且高温更容易导致催化剂失活，以及维持高温高压的条件同样会产生碳排放。对于光催化，具有反应条件温和、无污染、太阳能用之不竭的优点，但是存在反应速率较慢、光谱响应范围窄及装置安装复杂等问题。等离子体法是利用等离子体中的大量高能电子、激发态原子、自由基等活性粒子，这些活性粒子与反应性气体分子发生一系列物理化学反应，可以在较温和的条件下使反应得以发生，但是等离子体条件下紫外光强度较弱，一些光催化剂在等离子体条件下未能充分发挥其光催化效应。
4.现有技术公开号为cn215028705u中公开的自热式二氧化碳催化加氢制甲烷反应器，其利用热催化的方式处理co2加氢生成甲烷气体。公开号为212017745u所述的用于二氧化碳加氢甲烷化反应的光热固定床反应装置，其将传统热催化与新型光催化结合在一起协同co2加氢制备甲烷。公开号为cn215365299u所述的一种降解废水的装置，其将光催化与电催化结合在一起共同降解废水，目前还没有应用到co2加氢领域。公开号cn 213610668u中所述的一种可挥发有机物(vocs）处理设备及方法，其先将气体用等离子体处理后再经过光催化进行处理，目前还没有应用到co2加氢领域。公开号cn108043217b中所述的一种等离子体原位耦合光催化装置，其通过等离子体与光催化结合，显著提高处理效率。公开号cn105481049b中所述的废水催化净化设备，其通过紫外灯和等离子体对废水进行净化处理，目前还没有应用到co2加氢领域。
5.综上，如何利用现有技术结合新型催化剂来解决等离子体co2加氢的问题，这是本发明所解决的问题。


技术实现要素：

6.1.所要解决的技术问题：本发明的一种应用于co2加氢的等离子体耦合光催化装置选用了介质阻挡放电等离子体、紫外光源与结构型光催化剂等，形成了紧凑型等离子体协同催化系统，将等离子体催化和光催化两种催化方式结合在一起，产生协同作用，可以更加高效进行co2加氢反应，生成高品质化合物。
7.2.技术方案：一种应用于co2加氢的等离子体耦合光催化装置，其特征在于：包括介质阻挡放电协同催化结构；待处理气体通过介质阻挡放电协同催化结构后输出；所述介质阻挡放电协同催化结构包括紫外灯、内电极、外电极、结构型催化剂；所述紫外灯灯管表面设置能透过紫外光的内电极；所述内电极外端设置外介质管；外介质管的外表面设置外电极；所述外介质管与内电极之间的空腔形成内气隙；所述内气隙内设置结构型催化剂；所述结构型催化剂为圆筒状的多孔泡沫结构型催化剂。
8.进一步地，还包括：进气口以及出气口；所述紫外灯的两端均设置一个固定盖；其中的一个固定盖设置进气口；另一个固定盖设置出气口；通过进气口的气体进入内气隙后从出气口输出；紫外灯的通电导线从设置在固定盖的通孔中密封导出连接至电源；所述内电极的通电导线从另一个固定盖的通孔中密封导出连接至高压电源。
9.进一步地，所述结构型催化剂包括基材和光催化剂；其中基材为堇青石和氧化铝中的一种；光催化剂为金属氧化物tio2、金属氧化物cu2o、金属硫化物zns、金属硫化物cds、聚合物g-c3n4中的一种，或者为au、ag、pt、ni掺杂至上述光催化剂形成的多功能光催化剂中的一种。
10.进一步地，所述圆筒状的泡沫结构型催化剂的孔径为10ppi至50ppi。
11.进一步地，所述固定盖由内至外包括依次连接的内侧盖、中间端子以及外侧盖；所述内侧盖套接于对应的紫外灯与外介质管的一端；所述外侧盖设置通过通电导线的通孔；所述内侧盖、中间端子以及外侧盖之间通螺纹结构连接。
12.进一步地，所述中间端子设置多个进气孔；所述进气孔与之对应的进气口或者出气口贯通。
13.进一步地，所述内电极与外电极为网状金属或者为金属丝有间隔的缠绕结构。
14.进一步地，所述外介质管的材质为石英或氧化铝陶瓷；其壁厚为0.5-2mm 。
15.进一步地，所述紫外灯的功率为5-300w 。
16.进一步地，其特征在于：所述结构型催化剂的外半径的范围是10-15mm，内半径的范围为5-10mm；所述紫外灯的灯管的半径范围为5-9.5mm；所述外介质管的内半径范围为11-16mm；所述进气口与出气口的半径均为3-5mm 。
17.3.有益效果：（1）本发明提供的一种应用于co2加氢的等离子体耦合光催化装置，整个装置采用紧凑型结构，能够缩减装置体积，其中反应气体可以与催化剂充分接触，能有效增强等离子体催化和光催化间的协同作用，提高对气体的处理效果。
18.（2）本发明采用多孔泡沫结构型光催化剂，增加了反应气体在反应区域的停留时间，使反应进行地更加充分，提高反应效果。
19.（3）本发明中光催化剂附着在多孔结构型基体上，使得其可以与紫外灯发挥协同作用，在等离子体催化反应的基础上进一步提高co2加氢反应的效果。
20.（4）本发明中能够直接将内电极绕在紫外灯上，紫外光通过内电极直接照射到光催化剂上，从而达到了将等离子体催化和光催化结合的目的，在反应过程中无需在外部用光源照射。
21.（5）本发明中的结构型光催化剂采用泡沫催化剂，既能在等离子体条件下活化，也能在光照条件下发生催化剂效果，可以实现两种催化效应耦合协同作用的目的。
附图说明
22.图1为本发明的一种应用于co2加氢的等离子体耦合光催化装置剖面图及电路连接示意图；图2为本发明中的一种应用于co2加氢的等离子体耦合光催化装置的外视图；图3为本发明中的泡沫结构型催化剂的形状示意图；图4为本发明中的泡沫结构型催化剂的实物图；图5为本发明中的固定盖中的中间端子的结构图；图6为具体实施例中的运行流程图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明进行具体的说明。
24.如附图1至附图5所示，一种应用于co2加氢的等离子体耦合光催化装置，其特征在于：包括介质阻挡放电协同催化结构；待处理气体通过介质阻挡放电协同催化结构后输出；所述介质阻挡放电协同催化结构包括紫外灯4、内电极1、外电极2、结构型催化剂3；所述紫外灯灯管表面设置能透过紫外光的内电极；所述内电极外端设置外介质管7；外介质管的外表面设置外电极；所述外介质管与内电极之间的空腔形成内气隙8；所述内气隙内设置结构型催化剂；所述结构型催化剂为圆筒状的多孔泡沫结构型催化剂。
25.进一步地，还包括：进气口5以及出气口6；所述紫外灯的两端均设置一个固定盖；其中的一个固定盖设置进气口；另一个固定盖设置出气口；通过进气口的气体进入内气隙后从出气口输出；紫外灯的通电导线从设置在固定盖的通孔13中密封导出连接至电源；所述内电极的通电导线从另一个固定盖的通孔14中密封导出连接至高压电源9。
26.进一步地，所述结构型催化剂包括基材和光催化剂；其中基材为堇青石和氧化铝中的一种；光催化剂为金属氧化物tio2、金属氧化物cu2o、金属硫化物zns、金属硫化物cds、聚合物g-c3n4中的一种，或者为au、ag、pt、ni掺杂至上述光催化剂形成的多功能光催化剂中的一种。
27.进一步地，所述圆筒状的泡沫结构型催化剂的孔径为10ppi至50ppi。
28.进一步地，所述固定盖由内至外包括依次连接的内侧盖12、中间端子11以及外侧盖10；所述内侧盖套接于对应的紫外灯与外介质管的一端；所述外侧盖设置通过通电导线的通孔；所述内侧盖、中间端子以及外侧盖之间通螺纹结构连接。
29.进一步地，如附图5所示，所述中间端子设置多个进气孔102；所述进气孔与之对应的进气口或者出气口贯通。图中101为中心轴。
30.进一步地，所述内电极与外电极为网状金属或者为金属丝有间隔的缠绕结构。
31.进一步地，所述外介质管的材质为石英或氧化铝陶瓷；其壁厚为0.5-2mm 。
32.进一步地，所述紫外灯的功率为5-300w 。
33.进一步地，其特征在于：所述结构型催化剂的外半径的范围是10-15mm，内半径的范围为5-10mm；所述紫外灯的灯管的半径范围为5-9.5mm；所述外介质管的内半径范围为11-16mm；所述进气口与出气口的半径均为3-5mm具体实施例：如附图1、2所示，本发明的一种应用于co2加氢气的等离子体光催化装置，采用的是紧凑型的装置结构。具体为：内电极和外电极之间施加高压电在紫外灯管表面放电产生等离子体，紫外灯发出的紫外光和放电等离子体共同作用于结构型催化剂，产生光催化和等离子体催化协同作用，对进入内气隙的气体进行处理，如附图1中从进气口5进入的反应气体co2和h2在结构型催化剂内部在等离子体催化和光催化协同作用下生成特定的产物，从出气口6输出。本装置能够最大限度地发挥出等离子体催化和光催化的协同效应。
34.当气体经过进气口流经内气隙时，位于内气隙地多孔结构型催化剂内部放电等离子体。等离子体具有高反应活性，可在常温常压下实现快速反应，因此可以大大减少装置的制作成本。由于等离子体的高活化性，co2分子与高能电子发生电离、离解反应，产生co、o，co再进一步解离为c、o，之后再与h2离解的氢自由基发生反应从而生成一系列产物。一些催化剂在等离子体作用下能够被激发活化，促使反应向特定的方向进行，同时打开紫外灯，紫外光作用于催化剂产生光催化效应，进一步提升co2加氢反应效果。
35.本装置中的催化剂是具有选择性调控功能，选择不同的催化剂可以生成对应的不同产物。结构型催化载体包括基材和光催化剂，其中基材为堇青石和氧化铝中的一种；光催化剂为金属氧化物tio2、金属氧化物cu2o、金属硫化物zns、金属硫化物cds、聚合物g-c3n4中的一种，或者为au、ag、pt、ni掺杂至上述光催化剂形成的多功能光催化剂中的一种，以条件反应过程生成不同高附加值产物。本装置采用结构型泡沫催化剂，结构型泡沫催化剂上有分布不规则的小孔，这些小孔的孔径可以根据实际的需求进行调节，也可以增加气体在反应区域的停留时长，促进与气相活性粒子的碰撞，增加催化剂表面活性位点的反应几率，并且结构型催化剂上可以附着光催化剂，可以使得光催化体系效果更加明显，提高反应效率。结构型催化剂的孔径也可以从10ppi做到50ppi。生成气的种类会随着选用的结构型催化剂材料和光催化剂材料的不同以及反应气的比例不同而变化。
36.本装置中紫外灯管是作为电极结构的一部分，直接作为内电极的支撑部件，圆环柱状结构型光催化剂直接置于缠绕了内电极的紫外灯管上；采用螺旋线、螺旋带或者网状金属内电极利于紫外光透过，直接照射在光催化剂上，促进激发活化光催化剂，并且内电极金属材料也可以选择不同的金属。当然紫外灯根据需要也可以选择不同的功率，有5-300w功率的紫外灯可供选择。在实际的使用过程中使用本装置的运行方法流程参照图6所示的流程图。