CN113337839A - 耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置，阴极室外壳、质子交换膜上夹框、质子交换膜、质子交换膜下夹框及阳极室外壳自上到下依次分布，氮气鼓泡器件的一侧及光电阴极的一侧均位于阴极室外壳内，氮气鼓泡器件的另一侧及光电阴极的另一侧均位于阴极室外壳外，阳极插入于阳极室外壳内；氮气鼓泡器件上位于阴极室外壳内的部分上开设有若干通孔，氮气鼓泡器件外接有氮气瓶，该装置能够在光电催化氮气还原合成氨过程中加速氮气在电解液中的质量传递，以高效耦合槽式均匀聚光器。
Description
技术领域
本发明属于光电催化氮气还原合成氨反应器领域，涉及一种耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置。
背景技术
氨是世界上产量最大的化工产品之一，在全球经济中占有重要地位。目前，全球氨产量约为1.5亿吨/年，主要来源于传统的Haber-Bosch法合成氨工艺：即在高温、高压条件下利用铁基催化剂将高纯度的氮气和氢气转化为氨气。然而，哈伯法合成氨工艺能耗高，整个过程的能耗约占世界全年能耗总量的1％；同时，哈伯法所使用的高纯氢气主要来源于化石燃料的天然气重整，每年的CO2排放量高达4.5亿吨。光电催化氮气还原合成氨技术利用可再生能源为驱动力，通过水供质子，在光电阴极上实现氮气还原合成氨过程，是一种绿色环保、低能耗的合成氨方法，因此开发成套的光电催化氮气还原合成氨装置对国民经济的可持续性发展具有重要意义。
槽式均匀聚光器可以聚集太阳能从而提供均匀的高强度辐照，而目前常用的光电催化氮气还原合成氨反应装置均为H型电解池，其中光电阴极无法充分利用槽式均匀聚光器所提供的辐照，导致了H型电解池在耦合槽式均匀聚光器时效率较低。因此目前缺少能与槽式均匀聚光器高效耦合的光电催化氮气还原合成氨反应装置。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置，该装置能够在光电催化氮气还原合成氨过程中加速氮气在电解液中的质量传递，以高效耦合槽式均匀聚光器。
为达到上述目的，本发明所述的耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置包括光电催化氮气还原合成氨反应器及两个槽式均匀聚光器，其中，两个槽式均匀聚光器均与光电催化氮气还原合成氨反应器相连接；
光电催化氮气还原合成氨反应器包括阴极室外壳、光电阴极、参比电极、氮气鼓泡器件、质子交换膜上夹框、质子交换膜、质子交换膜下夹框、阳极室外壳及阳极；
阴极室外壳、质子交换膜上夹框、质子交换膜、质子交换膜下夹框及阳极室外壳自上到下依次分布，氮气鼓泡器件的一侧及光电阴极的一侧均位于阴极室外壳内，氮气鼓泡器件的另一侧及光电阴极的另一侧均位于阴极室外壳外，阳极插入于阳极室外壳内；
氮气鼓泡器件上位于阴极室外壳内的部分上开设有若干通孔，氮气鼓泡器件外接有氮气瓶。
阳极室外壳上设有出气口及进液口，阴极室外壳的顶部设置有开口。
光电催化氮气还原合成氨反应器位于两个槽式均匀聚光器之间。
在阴极室外壳中，氮气鼓泡器件位于光电阴极的正下方。
还包括参比电极，参比电极插入于阴极室外壳内。
阴极室外壳的上表面为透明结构。
各通孔均匀分布。
阴极室外壳与阳极室外壳通过螺栓及螺母紧固，质子交换膜上夹框、质子交换膜及质子交换膜下夹框夹持于阴极室外壳与阳极室外壳之间。
质子交换膜上夹框上设置有与阴极室外壳上第一环形凸起相匹配的第一凹槽，质子交换膜下夹框的下表面设置有与阳极室外壳上第二环形凸起相匹配的第二凹槽。
质子交换膜下夹框的上表面上设置有若干圆柱形凸起，质子交换膜上夹框的下表面设置有与所述圆柱形凸起相匹配的圆柱形凹槽，所述圆柱形凸起位于所述圆柱形凹槽内。
阳极室外壳上的出气口为向上弯曲的玻璃管，出气口的顶部高于质子交换膜。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置在具体操作时，通过氮气鼓泡器件向阴极室外壳内通过氮气，大量带有初始速度的微小氮气气泡会对电解液造成强烈扰动，以促进氮气在电解液中的质量传递，同时破坏光电阴极表面氮气及氢质子的浓度梯度，在光电催化氮气还原合成氨过程中加速氮气在电解液中的质量传递，以高效耦合槽式均匀聚光器，结构简单，操作方便，实用性极强。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明工作时的示意图；
图3为光电催化氮气还原合成氨反应器2分解图；
图4为光电催化氮气还原合成氨反应器2的示意图。
其中，1为槽式均匀聚光器、2为光电催化氮气还原合成氨反应器、3为阴极室外壳、4为光电阴极、5为参比电极、6为氮气鼓泡器件、7为质子交换膜上夹框、8为质子交换膜、9为质子交换膜下夹框、10为阳极室外壳、11为阳极、12为出气口、13为进液口、14为开口。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1至图4，本发明所述的耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置包括光电催化氮气还原合成氨反应器2及两个槽式均匀聚光器1，其中，两个槽式均匀聚光器1的下端均与光电催化氮气还原合成氨反应器2相连接，且光电催化氮气还原合成氨反应器2位于两个槽式均匀聚光器1之间。
在工作时，将光电催化氮气还原合成氨反应器2置于两个槽式均匀聚光器1的焦线处，所述槽式均匀聚光器1的内侧面上涂有对太阳光具有高反射率、低吸收率的选择性镀膜，槽式均匀聚光器1将低能流密度的太阳能聚集成高能流密度的辐射，高能辐射透过阴极室外壳3照射到光电阴极4上，以驱动光电阴极4处的氮气还原过程。
光电催化氮气还原合成氨反应器2包括阴极室外壳3、光电阴极4、参比电极5、氮气鼓泡器件6、质子交换膜上夹框7、质子交换膜8、质子交换膜下夹框9、阳极室外壳10及阳极11；
阴极室外壳3、质子交换膜上夹框7、质子交换膜8、质子交换膜下夹框9及阳极室外壳10自上到下依次分布，氮气鼓泡器件6的一侧及光电阴极4的一侧均位于阴极室外壳3内，氮气鼓泡器件6的另一侧及光电阴极4的另一侧均位于阴极室外壳3外，且阴极室外壳3中，氮气鼓泡器件6位于光电阴极4的正下方，阴极室外壳3的顶部设置有开口14，阳极11插入于阳极室外壳10内，参比电极5插入于阴极室外壳3内。
阴极室外壳3的上表面为透明结构，具体的，阴极室外壳3的上表面材质为石英玻璃，以保证对太阳光具有较高的透过率。
氮气鼓泡器件6为中空结构，氮气鼓泡器件6上位于阴极室外壳3内的部分上开设有若干通孔，其中，各通孔均匀分布，氮气鼓泡器件6外接有氮气瓶，通过氮气鼓泡器件6向阴极室外壳3内通过氮气，大量带有初始速度的微小氮气气泡会对电解液造成强烈扰动，以促进氮气在电解液中的质量传递，同时破坏光电阴极4表面氮气及氢质子的浓度梯度。
阳极室外壳10上设有出气口12及进液口13，阴极室外壳3与阳极室外壳10通过螺栓及螺母紧固，质子交换膜上夹框7、质子交换膜8及质子交换膜下夹框9夹持于阴极室外壳3与阳极室外壳10之间。
质子交换膜上夹框7上设置有与阴极室外壳3上第一环形凸起相匹配的第一凹槽，质子交换膜下夹框9的下表面设置有与阳极室外壳10上第二环形凸起相匹配的第二凹槽，以保证质子交换膜组件与阴极室外壳3及阳极室外壳10的紧密对接。
质子交换膜下夹框9的上表面上设置有若干圆柱形凸起，质子交换膜上夹框7的下表面设置有与所述圆柱形凸起相匹配的圆柱形凹槽，所述圆柱形凸起位于所述圆柱形凹槽内，质子交换膜8夹持于质子交换膜下夹框9与质子交换膜上夹框7之间。
在工作时，通过所述开口14向阳极室外壳10中加入电解液，阳极室外壳10上的出气口12为向上弯曲的玻璃管，出气口12的顶部高于质子交换膜8，以保证阳极室外壳10中的电解液与质子交换膜8紧密接触，确保氢质子可以通过质子交换膜8传递至阴极室外壳3中。
最后需要说明的是，本发明中的光电阴极4可最大限度地接受槽式均匀聚光器1所提供的太阳辐射，在光电阴极4下方设置有可促进氮气传质的氮气鼓泡器件6，在太阳辐射以及外加偏压作用下，光电阴极4上发生氮气还原合成氨反应，其中，反应需要的质子来源于阳极室外壳10中的阳极11氧化水产生的质子，并经过质子交换膜8传递至阴极室外壳3中。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改性等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置，其特征在于，包括光电催化氮气还原合成氨反应器(2)及两个槽式均匀聚光器(1)，其中，两个槽式均匀聚光器(1)均与光电催化氮气还原合成氨反应器(2)相连接；
光电催化氮气还原合成氨反应器(2)包括阴极室外壳(3)、光电阴极(4)、参比电极(5)、氮气鼓泡器件(6)、质子交换膜上夹框(7)、质子交换膜(8)、质子交换膜下夹框(9)、阳极室外壳(10)及阳极(11)；
阴极室外壳(3)、质子交换膜上夹框(7)、质子交换膜(8)、质子交换膜下夹框(9)及阳极室外壳(10)自上到下依次分布，氮气鼓泡器件(6)的一侧及光电阴极(4)的一侧均位于阴极室外壳(3)内，氮气鼓泡器件(6)的另一侧及光电阴极(4)的另一侧均位于阴极室外壳(3)外，阳极(11)插入于阳极室外壳(10)内；
氮气鼓泡器件(6)上位于阴极室外壳(3)内的部分上开设有若干通孔，氮气鼓泡器件(6)外接有氮气瓶；
阳极室外壳(10)上设有出气口(12)及进液口(13)，阴极室外壳(3)的顶部设置有开口(14)。
2.根据权利要求1所述的耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置，其特征在于，光电催化氮气还原合成氨反应器(2)位于两个槽式均匀聚光器(1)之间。
3.根据权利要求1所述的耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置，其特征在于，在阴极室外壳(3)中，氮气鼓泡器件(6)位于光电阴极(4)的正下方。
4.根据权利要求1所述的耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置，其特征在于，还包括参比电极(5)，参比电极(5)插入于阴极室外壳(3)内。
5.根据权利要求1所述的耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置，其特征在于，阴极室外壳(3)的上表面为透明结构。
6.根据权利要求1所述的耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置，其特征在于，各通孔均匀分布。
7.根据权利要求1所述的耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置，其特征在于，阴极室外壳(3)与阳极室外壳(10)通过螺栓及螺母紧固，质子交换膜上夹框(7)、质子交换膜(8)及质子交换膜下夹框(9)夹持于阴极室外壳(3)与阳极室外壳(10)之间。
8.根据权利要求1所述的耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置，其特征在于，质子交换膜上夹框(7)上设置有与阴极室外壳(3)上第一环形凸起相匹配的第一凹槽，质子交换膜下夹框(9)的下表面设置有与阳极室外壳(10)上第二环形凸起相匹配的第二凹槽。
9.根据权利要求1所述的耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置，其特征在于，质子交换膜下夹框(9)的上表面上设置有若干圆柱形凸起，质子交换膜上夹框(7)的下表面设置有与所述圆柱形凸起相匹配的圆柱形凹槽，所述圆柱形凸起位于所述圆柱形凹槽内。
10.根据权利要求1所述的耦合槽式均匀聚光器的光电催化氮气还原合成氨反应装置，其特征在于，阳极室外壳(10)上的出气口(12)为向上弯曲的玻璃管，出气口(12)的顶部高于质子交换膜(8)。
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