一种光热催化反应器和光热催化方法

本发明属于光热气相催化，涉及一种光热催化反应器和光热催化方法。

背景技术：

1、随着科技的发展，人们对能源的需求不断增大，随之而来的是co2大量排放，无节制的co2排放将导致全球气温上升，继而导致冰川融化，海平面上升等一系列环境问题，严重威胁着人们的生活。利用催化剂将co2转化为co、ch4、ch3oh和c2+等高价值产物是一种高效的选择，传统的光催化是利用半导体材料收到光照后产生的光生电子-空穴对发生氧化还原反应进行的，然而，传统光催化存在对可见光响应区间小、光生载流子复合快等问题，导致催化效率受限。

2、近年的研究发现，在光催化过程中引入热场的耦合能够有效提高催化效率。由于加入热场耦合，光热催化反应需要同时控制温度与光照两个变量，现有的仪器设备难以在保证光照过程中保持温度不变。

3、因此，考虑到光热反应的条件需求，开发出新型气相催化抽真空装置具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种光热催化反应器和光热催化方法。本发明提供的光热催化反应器能够克服在光热反应系统过程中的散热问题，可以将壳体内的空气抽出，使得体系处于绝热状态，从而在一定时间段可以保证反应温度的稳定性，最大效率的利用光能，实现高效光热催化。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种光热催化反应器，所述光热催化反应器包括壳体和反应管；

4、所述壳体的顶面设置有光透过窗，所述壳体上设置有第一通孔、第二通孔和抽真空口，所述抽真空口连接有抽真空件，所述第一通孔和所述第二通孔相对设置；

5、所述反应管包括依次连接的进气段、反应段和出气段，所述反应段位于所述壳体的内腔中，且所述反应段在所述壳体顶面上的投影位于所述光透过窗所在的区域内；所述进气段远离所述反应段的一端通过第一通孔伸出所述壳体，所述出气段远离所述反应段的一端通过第二通孔伸出所述壳体。

6、本发明提供了一种光热催化反应器，可在催化反应进行时使用抽真空件抽气，保证壳体内处于真空条件，整个装置在光照时没有热量耗散，温度升高使反应顺利进行，从而能够克服光热反应系统过程中的散热问题，使得体系处于绝热状态，从而在一定时间段可以保证反应温度的稳定性，最大效率的利用光能，实现高效光热催化。

7、本发明中，反应管的进气段伸出所述壳体的一端为反应气进气口，反应管的出气段伸出所述壳体的一端为反应气出气口。进气段伸出所述壳体的一端与出气段伸出所述壳体的一端即为反应管的两端，两端可完成进气与出气形成一个气体循环回路。

8、优选地，所述抽真空件为真空泵。

9、优选地，所述光透过窗包括透镜。

10、本发明中，设置光透过窗的目的是保证无入射光频率损失。

11、优选地，所述透镜的材质包括石英。

12、优选地，所述透镜的外周设置有固定圈，所述固定圈用于将所述透镜固定在所述壳体的顶面。

13、优选地，所述反应管的材质包括石英。

14、优选地，所述进气段和所述出气段均为圆管。便于密封。

15、优选地，所述进气段和所述出气段的管径独立地为2mm-50mm，例如可以是3mm、6mm、8mm、10mm、20mm、30mm、40mm或50mm等。

16、优选地，所述反应段为扁管。

17、可选地，所述扁管由圆管压扁制得，或者由上下两个透光石英片于两端圆管高温焊接而成。

18、优选地，所述扁管的宽度为5mm-50mm，例如可以是5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm或50mm等；所述扁管的长度为5mm-50mm，例如可以是5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm或50mm等；所述扁管的高度为1mm-10mm，例如可以是1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、8mm或10mm等，优选为2mm。

19、优选地，所述反应段在所述壳体顶面上的投影面积，与所述光透过窗的面积的比为1:(1-10)，例如可以是1:1、1:2、1:3、1:4、1:6、1:8或1:10等。

20、优选地，所述反应段与所述光透过窗之间的距离为1mm-200mm，例如可以是1mm、5mm、10mm、20mm、50mm、100mm、150mm、180mm或200mm等。

21、优选地，所述反应段中设置有热电偶，用于实时监测光热温度。

22、优选地，所述抽真空口和所述抽真空件的连接管路上设置有抽真空阀。

23、优选地，所述壳体的形状为立方体状、长方体状或圆筒状。

24、优选地，所述光热催化反应器还包括底板，所述底板上设置有所述壳体。

25、需要说明的是，壳体的位置可以通过底板上的轨道和升降台调整，使得光线得到充分利用。

26、第二方面，本发明提供了一种采用第一方面所述的光热催化反应器进行光热催化的方法，所述方法包括：

27、(1)将光热催化剂放置于所述反应段中，然后使光源置于所述光透过窗的一侧，并使所述光源发出的光通过所述光透过窗照射在反应段上，同时采用抽真空件对所述壳体进行抽真空；

28、(2)将反应气源连接所述进气段伸出所述壳体的一端，通入反应气，进行光热催化反应。

29、需要说明的是，在反应段使用过程中需要在添加光热催化剂后使用石棉填补在反应段两侧，从而防止催化剂被吹入到连接的检测器中。

30、本发明不对光源作具体限定，可以是太阳光，也可以是模拟光源，例如氙灯。当光源为太阳光时，则需要聚焦装置将太阳光聚焦至光透过窗。

31、优选地，所述抽真空之后，所述壳体的内腔的真空度为1.0×10-6pa-100pa，例如可以是1.0×10-6pa、5.0×10-6pa、1.0×10-5pa、1.0×10-4pa、1.0×10-3pa、1.0×10-2pa、0.1pa、1pa、10pa、20pa、50pa、80pa或100pa等。

32、优选地，所述反应气的空速为100ml g-1h-1-300000ml g-1h-1，例如可以是100ml g-1h-1、200ml g-1h-1、500ml g-1h-1、1000ml g-1h-1、5000ml g-1h-1、10000ml g-1h-1、15000ml g-1h-1、20000ml g-1h-1或30000ml g-1h-1等。

33、本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

34、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

35、本发明提供了一种光热催化反应器，可在催化反应进行时使用抽真空件抽气，保证壳体内处于真空条件，整个装置在光照时没有热量耗散，温度升高使反应顺利进行，从而能够克服光热反应系统过程中的散热问题，使得体系处于绝热状态，从而在一定时间段可以保证反应温度的稳定性，最大效率的利用光能，实现高效光热催化。