CN101769907B - 光催化反应微分式自动测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光催化反应微分式自动测试系统，该系统包括一个由磁力搅拌器、反应器、氙灯光源等构成的反应部分；一个由气体循环泵、球形玻璃冷凝管、气相色谱、反应器及气路管等构成的循环部分；一个由气体质量流量计、稳流阀、数字压力表和真空泵等构成的控压部分；一个由恒温循环泵、反应器控温夹套及球形玻璃冷凝管等组成的控温部分；一个由连续分析仪、气相色谱、数据采集板及计算机等构成的测量控制部分。该系统用于光催化产氢测试，利用载气将反应器中的气体产物带出实现微分式测量，可设定反应温度及反应压力，并准确、及时获得光催化反应的即时产氢速率，可用于其它有气体参与或产生的光催化反应测试。

Description

光催化反应微分式自动测试系统

技术领域

本发明属于催化化学反应测试实验系统，特别涉及一种光催化反应微分式自动测试系统。

背景技术

半导体光催化反应的基本作用原理是：半导体光催化剂受到太阳光照射时(主要是可见光与紫外光)，其内部的电子受激发从价带跃迁到导带，生成自由电子和空穴。当电子、空穴迁移到半导体表面时，与其吸附的物质发生相互作用；对水溶液而言，可以反应生成氢气或氧气或者兼而有之。光催化反应速度受到催化剂、反应液、反应器以及光源(光谱及辐照度等)、反应温度及压力等众多因素影响，积极控制其中的一些条件，反映催化剂及系统的本征特性，对光催化反应的研究十分重要。

要实现对光催化反应的测试，必须具备三个基本条件，即可以测量和控制的光源、反应器，及对反应的有效检测手段。

光源：选用紫外及可见区段与太阳光谱相近的氙灯点光源作为模拟光源，而后选择不同的滤光片可实现不同波段的光催化分解水反应测试。目前国内外的研究基本选用平行光光源，没有考虑光的入射方式对光催化反应的影响。我们分析表明，点光源，减弱了边缘透射及散射，更有利于催化剂对有效光能的充分利用，因此选用氙灯点光源。

反应器：通常采用派热克斯(PYREX)玻璃制备光窗口；使用标准磨口设计便于更换其它形状的反应器；使用近于球形的反应器，方便测量和模拟系统的光辐射分布；含有的循环水夹套可控制反应温度；采用微分式测试系统时，不积累气体产物，可维持反应压力稳定，和积分式系统相比不受反应产物压力的限制，使反应时间极长。

对反应的有效检测：体现在对反应过程和反应结果中各种反应物、产物及其变化进行测试分析。对光催化反应而言，反应中大都有气体参加或产生，因此一般可选用气相色谱来检测气体种类、成分及浓度的变化，以反映催化剂的活性、稳定性等。通常气相色谱需要经过进样、色谱柱分离、检测等步骤，因此分析一个气样往往需要不少时间，能够实现定时自动测试(间隔时间足够)，难于实现时时测试，使用连续的分析仪则便于反应关键产物的时时自动检测。同时采用气相色谱，也可以检测气样其它成分。

光催化反应测试系统中，通常以积累的气体产物浓度变化来反映系统特性，为积分式的测试方法，对反应速度的变化不敏感，而且结果分析中往往使用光催化反应速度，因此采用微分式的直接测量光催化反应速度方法值得考虑。

目前，在光催化反应过程中，对反应压力控制普遍存在欠缺，通常都采用的积分式测量方法；经检索、查询各种专利、文献表明，目前还没有对反应进行微分自动测试的报道，国内外也没关于类似装置的报道。

就整个光催化反应微分式自动测试系统的研制而言，还须考虑对各部件设计适宜的连接方式以形成合适的气路系统；须考虑选择合适的载气及输送泵以实现气体的输送和均匀化；须考虑设计适当的控制温度的方法。同时还必须考虑系统各部件的相互关联和系统整体设计的完整一致性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种光催化微分式自动测试系统。利用该系统能在可控温度、稳定压力、任意长时间下准确自动检测光催化反应的进程，并直接获得光催化反应产气的速率，便于快速对催化剂的催化性能进行评估，并进行有关的反应动力学方面的研究。

一种光催化反应微分式自动测试系统，该系统包括磁力搅拌器1、光催化反应器2、点光源3、拆分气路管4、球形玻璃接冷凝管5、循环泵6和连续分析仪7；所述磁力搅拌器1位于光催化反应器2的下部；所述点光源3设置于光催化反应器2右方；所述球形玻璃接冷凝管5设置在光催化反应器2上方，球形玻璃接冷凝管5下端与拆分气路管4上磨口连接，拆分气路管4下磨口与光催化反应器2连通；所述拆分气路管4左支管连接有第一三通阀8-1中端，拆分气路管4右支管通过管线接循环泵6连接连续分析仪7入口，第一三通阀8-1右端与连续分析仪7入口连接，拆分气路管左支管、第一三通阀8-1和连续分析仪7入口组成闭合环路；所述第一三通阀8-1左端通过气体质量流量计9与高压气体瓶10连接；所述球形玻璃接冷凝管5上端连接有第二三通阀8-2上端连接，第二三通阀8-2下端依次通过稳流阀12和真空泵13与气相色谱14连接，第二三通阀8-2中端连接有数字压力表11；所述数字压力表11和气体质量流量计9通过数据采集板15与计算机16连接；所述气相色谱14与计算机16连接。

所述的光催化反应器2由柱形控温夹套18和反应容器17构成；所述柱形控温夹套18侧面设置有透光孔19，上方设置有进水口20，下方设置有出水口21；所述反应容器17置于柱形控温夹套18内部，反应容器17为球形腔体，反应容器17顶部是磨口、底部是平底，反应容器17侧壁正对透光孔19位置设置有光窗；所述柱形控温夹套18附有屏蔽吸收膜。

所述的气相色谱14的检测器为TCD检测器，并且气相色谱14含有时间控制器和自动六通阀。所述稳流阀12和接真空泵13组成控压系统；所述控压系统通过计算机16及数据采集板15控制气体质量流量计9及稳流阀12中的气体流量来控制和稳定压力。

本发明的系统包括由磁力搅拌器，磁力搅拌器位于光催化反应器的下部，光催化反应器的右侧方为水平照射的氙灯点光源，光催化反应器上连有气路支管及冷凝管的用于气路拆分；而前者与气体泵及连续分析仪等形成气体内环路，后者出口则为外排路，是开放体系，可直接排出，也可接气相色谱、或控压系统等。

所述的光催化反应器内设置反应容器，似平底烧瓶而具有一侧面光窗，其上接一玻璃磨口；外接控温夹套，控温夹套通过软管连接冷凝管、及恒温循环泵后，组成控温水路。

所述的氙灯点光源色温为5800±300K。

所述的连续分析仪主要针对氢气的检测。

所述的气体外排路开放体系，针对不同要求而实施，检测可能存在其它气体时，可连接气相色谱；控制大气压以外的反应压力时，连接控制压力系统；或者两者均连接。若只在常压下检测氢气，则不须连接其它装置。

本发明具有以下特点：

1、反应装置连接简洁，方便快捷，同时冷却夹套外有屏蔽吸收膜，避免了杂散光对反应测试的影响。

2、运用设计的气路系统，使系统简单明了，且加入内环路使气体更容易均匀分布。

3、通过微分式测试方法，使反应不受系统产物压力变化的限制，达到无限时间测试的可能。

4、选择合适恒温循环泵，可达到温度的精确控制；并且反应体系和气体部分可分开控温，便于实现不同反应温度下的自动测试。

5、通过连续分析仪，实现了系统在线时时自动检测；结合系统参数，可通过软件的操作，实现对测量数据的快速准确处理，直接获得光催化反应速率的数据。

本发明的局限性在于要通过数据处理才能获得通常的积分式测试数据，但这对于通过色谱检测氢气的浓度并不会有影响。

利用光催化反应微分自动测试系统进行光催化分解水产氢测试，能准确、时时检测出光催化分解水产系统载气中氢的浓度，并可直接获得产氢速率。

附图说明

图1是本发明光催化反应微分式自动测试系统结构示意图；

图2是本发明光催化反应器示意图；

图3是本发明光催化反应微分式自动测试系统使用操作流程图；

图4是本发明用于催化剂控温控压下的测试结果图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

如图1所示，光催化反应微分式自动测试系统：该系统中磁力搅拌器1位于光催化反应器2的下部，其右侧为氙灯点光源3(光路水平侧对光催化反应器2，由左而右至受光面)，其上接磨口，用于连接拆分气路管4。拆分气路管4具有四口，上下为磨口，左右为支管；上磨口接冷凝管5；左支管接三通阀8-1，右支管为循环气体出口，通过管线接循环泵6及连续分析仪7入口，而后再接入三通阀8-1，形成闭合环路；三通阀8-1另一端为载气入口，接气体质量流量计9后再连接高压气体瓶10。

冷凝管5上为外气路，接另一三通阀8-2，其一端接数字压力表11，另一出口接控压系统或气相色谱14。控压系统由稳流阀12，接真空泵13组成，通过计算机16及数据采集板15控制气体质量流量计9及稳流阀12中的气体流量来控制和稳定压力。

气相色谱14：含主机、时间控制器、自动六通阀、TCD检测器等。

如图2所示，为光催化反应器2结构示意图，近似为具侧壁的球形腔体，其中反应溶液及催化剂通过磨口加入反应容器17中，要求磁子位于光催化反应容器17中的平台上；反应器外具附有屏蔽吸收膜的柱形控温夹套18，侧面开有透光孔19，与反应容器17的光窗相接。控温夹套18上具进出水口20、21，与恒温循环泵相接可控制反应温度。

其测量原理是：当光源3照射光催化反应器2内的溶液及光催化剂时，反应发生并产生气体，通过气体循环泵6泵送气体进入连续分析仪7中，检测气体中氢气的浓度；外气路中可连接气相色谱14用于复杂气体组分检测，可连接控压系统用于稳定压力(负压)下的反应。

如图3所示，为本发明光催化反应微分式自动测试系统使用操作流程图，具体分为以下步骤：准备、测试、后处理等三个阶段。在前期准备中：首先要预热相关仪器设备，如氙灯点光源3、连续分析仪7、气相色谱14，数据采集板15及计算机16等，在仪器就绪之前，准备与光催化反应相关的事务，如反应溶液的配制、催化剂称取、搅拌磁子的准备等，将它们加入光催化反应器2中的反应容器17内，然后连接相应装置，开启搅拌1、恒温循环泵、气体循环泵6、真空泵13，打开高压气瓶10、控制气体质量流量计9，调节稳流阀12至适宜流量，吹扫反应及测试系统，可用气相色谱14检测氧气，或直接吹扫15min进入下一阶段；测试：通过计算机16设定所需压力，并通过气体质量流量计9测量及控制进气速度，来稳定压力，然后设置连续分析仪7及气相色谱14气体分析及数据采集，待完成后，加载光源3，测试开始并计时；若反应完成，则进入后处理阶段：关闭相关设备，清理光催化反应器等，最后分析处理数据。

具体应用实施例：

本发明的光催化反应微分式自动测试系统，按图3所示流程图操作即可。

例：在一定温度、压力下考察催化剂性能

在反应器R中，加入催化剂，Na₂SO₃、Na₂S牺牲剂溶液，设置反应体系及气体控温25℃，反应压力50kPa，测试6小时，间隔10min采样。

反应测试结果如图4所示，为其产氢微摩尔量-时间的关系曲线图，a、b、c、d分别表示催化反应的不同阶段，结合实验操作，分析反应速率变化：

(1)、a反应起始阶段，含连部分内容，一是反应器内空余体积的填充，二是反应活化。

(2)、经活化的催化反应，在a-b间反应速率快速提高，达到速率稳定阶段b，约43μmol/h，理想目标即为此阶段，快速到达并能持之恒久；

(3)、c最高反应活性点，58μmol/h，整体来看，催化活性并不稳定，而且经过最高点后，较快衰减；

d反应衰减区，从图中可以看出该催化剂活性衰减较快。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (3)

1.光催化反应微分式自动测试系统，其特征在于：该系统包括磁力搅拌器(1)、光催化反应器(2)、点光源(3)、拆分气路管(4)、球形玻璃接冷凝管(5)、循环泵(6)和连续分析仪(7)；所述磁力搅拌器(1)位于光催化反应器(2)的下部；所述点光源(3)设置于光催化反应器(2)右方；所述球形玻璃接冷凝管(5)设置在光催化反应器(2)上方，球形玻璃接冷凝管(5)下端与拆分气路管(4)上磨口连接，拆分气路管(4)下磨口与光催化反应器(2)连通；所述拆分气路管(4)左支管连接有第一三通阀(8-1)中端，拆分气路管(4)右支管通过管线接循环泵(6)连接连续分析仪(7)入口，第一三通阀(8-1)右端与连续分析仪(7)入口连接，拆分气路管左支管、第一三通阀(8-1)和连续分析仪(7)入口组成闭合环路；所述第一三通阀(8-1)左端通过气体质量流量计(9)与高压气体瓶(10)连接；所述球形玻璃接冷凝管(5)上端连接有第二三通阀(8-2)上端连接，第二三通阀(8-2)下端依次通过稳流阀(12)和真空泵(13)与气相色谱(14)连接，第二三通阀(8-2)中端连接有数字压力表(11)；所述数字压力表(11)和气体质量流量计(9)通过数据采集板(15)与计算机(16)连接；所述气相色谱(14)与计算机(16)连接；

所述的光催化反应器(2)由柱形控温夹套(18)和反应容器(17)构成；所述柱形控温夹套(18)侧面设置有透光孔(19)，上方设置有进水口(20)，下方设置有出水口(21)；所述反应容器(17)置于柱形控温夹套(18)内部，反应容器(17)为球形腔体，反应容器(17)顶部是磨口、底部是平底，反应容器(17)侧壁为光窗正对透光孔(19)；所述柱形控温夹套(18)附有屏蔽吸收膜。

2.如权利要求1所述光催化反应微分式自动测试系统，其特征在于：所述的气相色谱(14)的检测器为TCD检测器，且气相色谱(14)含有时间控制器和自动六通阀。

3.如权利要求1所述光催化反应微分式自动测试系统，其特征在于：所述稳流阀(12)和接真空泵(13)组成控压系统；所述控压系统通过计算机(16)及数据采集板(15)控制气体质量流量计(9)及稳流阀(12)中的气体流量来控制和稳定压力。 

Images