一种全太阳能驱动的室外光热催化反应装置及其应用

本发明属于光热气相催化，涉及一种全太阳能驱动的室外光热催化反应装置及其应用。

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。其中，ch4-co2重整(co2+ch4＝2co+2h2)，是一种很有前景的温室气体利用技术。不仅有效地利用了甲烷和二氧化碳，缓解温室效应，还可以制备更具工业价值的合成气(co和h2)。传统的热催化通常需要较高的反应温度，容易导致活性组分烧结和催化剂表面积碳等问题；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，而且目前光催化和光热催化的光源主要以氙灯为主，极少直接利用太阳光。

3、因此，考虑到光热反应的条件需求以及对太阳能的充分利用，开发出新型室外光热催化反应装置具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种全太阳能驱动的室外光热催化反应装置及其应用，本发明所述全太阳能驱动的室外光热催化反应装置能够利用太阳光实现高效光热催化。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种全太阳能驱动的室外光热催化反应装置，所述室外光热催化反应装置包括光热催化反应器、聚光系统、控制系统、供电系统、反应气源和气相色谱及检测系统，其中，所述聚光系统用于对光热催化反应器和供电系统提供光源，所述控制系统用于控制反应气源流量和光照角度并实时观测反应光强和温度，所述气相色谱及检测系统用于对光热催化反应器内的反应产物进行检测，所述太阳能电池用于给控制系统供电，所述聚光系统包括菲涅尔透镜和追光器。

4、本发明所述全太阳能驱动的室外光热催化反应装置利用菲涅尔透镜将太阳光聚焦到光热催化反应器上，不需要额外提供热量，使用真空泵抽真空，使得光热催化反应器内处于真空条件，从而能够克服光热反应系统过程中的散热问题，最大效率的利用太阳光能，实现高效光热催化；本发明所述室外光热催化反应装置中石英反应管可更换或清洗，所以该反应装置能够重复检测不同催化剂的催化效果。同时，利用太阳能硅板将太阳能储存至化学电池(供电系统中含有太阳能电池)中，再通过化学电池放电驱动控制系统，自动追光系统，从而实现全太阳能驱动绿色生产化学品。

5、优选地，所述光热催化反应器包括壳体主体、石英反应管、光透过窗、抽真空口、第一通孔和第二通孔，其中，所述光透过窗设置于所述壳体主体一侧表面，所述第一通孔和第二通孔设置于所述壳体主体两侧，所述石英反应管贯穿所述第一通孔、第二通孔和壳体主体，所述光透过窗垂直于所述石英反应管，所述抽真空口设置于所述壳体主体一侧表面。

6、优选地，所述石英反应管包括进气段、出气段以及设置于所述进气段和出气段之间的反应段。

7、优选地，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主体。

8、优选地，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主体。

9、优选地，所述反应段位于所述壳体主体的内腔中，且所述反应段在所述壳体主体顶面上的投影位于所述光透过窗所在的区域内，光线通过光透过窗照射进入石英反应管的反应段。

10、优选地，所述进气段和出气段为圆管。

11、优选地，所述进气段和出气段的管径独立地为2～50mm，例如：2mm、5mm、10mm、20mm或50mm等。

12、优选地，所述反应段为扁管。

13、优选地，所述反应段的宽度为5～50mm，例如：5mm、10mm、20mm、30mm或50mm等。

14、优选地，所述反应段的长度为5～50mm，例如：5mm、10mm、20mm、30mm或50mm等。

15、优选地，所述反应段的厚度为1～10mm，例如：1mm、2mm、5mm、8mm或10mm等。

16、优选地，所述反应段中设置温度传感器。

17、优选地，所述光热催化反应器连接真空泵。

18、本发明所述室外光热催化反应装置在使用前进行抽真空，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，从而在一定时间段内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。

19、优选地，所述控制系统连接流量计、追光器、光照度传感器、温度传感器和真空泵。

20、本发明所述控制系统连接有追光器，可以根据太阳角度调整菲涅尔透镜，使太阳光始终聚焦在反应器上。

21、优选地，所述气相色谱及检测系统连接光照度传感器。

22、本发明所述气相色谱及检测系统连接光照度传感器可以实时查看太阳光强度。

23、优选地，所述供电系统包括太阳能板、太阳能电池和逆变器。

24、优选地，所述菲涅尔透镜的长度为20～200cm，例如：20cm、50cm、100cm、150cm或200cm等。

25、优选地，所述菲涅尔透镜的宽度为20～200cm，例如：20cm、50cm、100cm、150cm或200cm等。

26、第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述室外光热催化反应装置的应用，所述室外光热催化反应装置用于光热催化反应。

27、优选地，所述光热催化反应包括以下步骤：

28、(1)称取催化剂样品，将其放入光热催化反应器内的扁管中，使用石英棉填补在反应段两侧；

29、(2)在室外光照条件下，打开逆变器为整套装置供电；

30、(3)用真空泵将光热催化反应器抽真空；

31、(4)通入反应气源并利用聚光系统将太阳光聚集在反应器的光透过窗上；

32、(5)间隔固定时间抽取相同体积反应后样品气；

33、(6)利用气相色谱和检测系统确定气体组成。

34、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

35、本发明提供了所述全太阳能驱动的室外光热催化反应装置，不需要额外提供热量，光热催化反应器内处于真空条件，从而能够克服光热反应系统过程中的散热问题，最大效率的利用太阳光能，实现高效光热催化；所述室外光热催化反应装置中石英反应管可更换或清洗，所以该反应装置能够重复检测不同催化剂的催化效果。同时，利用太阳能硅板将太阳能储存至化学电池中，再通过化学电池放电驱动控制系统，自动追光系统，从而实现全太阳能驱动绿色生产化学品。

技术特征：

1.一种全太阳能驱动的室外光热催化反应装置，其特征在于，所述室外光热催化反应装置包括光热催化反应器、聚光系统、控制系统、供电系统、反应气源和气相色谱及检测系统，其中，所述聚光系统用于对光热催化反应器和供电系统提供光源，所述控制系统用于控制反应气源流量和光照角度并实时观测反应光强和温度，所述气相色谱及检测系统用于对光热催化反应器内的反应产物进行检测，所述太阳能电池用于给控制系统供电，所述聚光系统包括菲涅尔透镜和追光器。

2.如权利要求1所述的室外光热催化反应装置，其特征在于，所述光热催化反应器包括壳体主体、石英反应管、光透过窗、抽真空口、第一通孔和第二通孔，其中，所述光透过窗设置于所述壳体主体一侧表面，所述第一通孔和第二通孔设置于所述壳体主体两侧，所述石英反应管贯穿所述第一通孔、第二通孔和壳体主体，所述光透过窗垂直于所述石英反应管，所述抽真空口设置于所述壳体主体一侧表面。

3.如权利要求2所述的室外光热催化反应装置，其特征在于，所述石英反应管包括进气段、出气段以及设置于所述进气段和出气段之间的反应段；

4.如权利要求3所述的室外光热催化反应装置，其特征在于，所述进气段和出气段为圆管；

5.如权利要求1-4任一项所述的室外光热催化反应装置，其特征在于，所述光热催化反应器连接真空泵。

6.如权利要求1-5任一项所述的室外光热催化反应装置，其特征在于，所述控制系统连接流量计、追光器、光照度传感器、温度传感器和真空泵。

7.如权利要求1-6任一项所述的室外光热催化反应装置，其特征在于，所述气相色谱及检测系统连接光照度传感器。

8.如权利要求1-7任一项所述的室外光热催化反应装置，其特征在于，所述供电系统包括太阳能板、太阳能电池和逆变器。

9.如权利要求1-8任一项所述的室外光热催化反应装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜的长度为20～200cm；

10.一种如权利要求1-9任一项所述室外光热催化反应装置的应用，其特征在于，所述室外光热催化反应装置用于光热催化反应；

技术总结
本发明提供了一种全太阳能驱动的室外光热催化反应装置及其应用，所述室外光热催化反应装置包括光热催化反应器、聚光系统、控制系统、供电系统、反应气源和气相色谱及检测系统，其中，所述聚光系统用于对光热催化反应器和供电系统提供光源，所述控制系统用于控制反应气源流量和光照角度并实时观测反应光强和温度，所述气相色谱及检测系统用于对光热催化反应器内的反应产物进行检测，所述太阳能电池用于给控制系统供电，所述聚光系统包括菲涅尔透镜和追光器。本发明所述全太阳能驱动的室外光热催化反应装置能够利用太阳光实现高效光热催化。

技术研发人员：杨向光,王家坤,张泽树,张一波
受保护的技术使用者：中国科学院赣江创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/6/18