一种二氧化碳催化还原反应装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种二氧化碳催化还原反应装置，该装置包括光催化反应器、电催化反应器、电化学工作站和光源灯。在光催化反应器侧壁设有与光源灯出光口对应的光照窗口；在电催化反应器侧壁上嵌有与光照窗口对应的钛片；其中，钛片的外侧面经过处理形成钛氧化物光照催化复合材料，其结构为整齐竖立管状阵列结构，与其他形态的钛片相比，该结构的钛片具有更大的比表面积和更强的吸附能力，提高光电转换效率。电催化反应器内设有与电化学工作站相连的三电极，使光激发钛片产生的电子转移到对电极上，降低电子‑空穴对的复合率，提高催化剂光量子使用效率。因此，采用本发明专利技术提供的装置，能够提高二氧化碳催化还原反应效率。

Carbon dioxide catalytic reduction reaction device

The invention discloses a carbon dioxide catalytic reduction reaction device, which comprises a photocatalytic reactor, an electro catalytic reactor, an electrochemical workstation and a light source lamp. In the photocatalytic reactor and the side wall is provided with a light outlet corresponding to the illumination window; titanium sheet and light window embedded in the corresponding electrocatalytic reactor on the side wall of the outer surface of the titanium plate; the treated titanium oxide formed light catalytic composite material, its structure is neatly erected tubular array structure compared with other forms, titanium plate, titanium plate of the structure has larger specific surface area and stronger adsorption ability, improve the photoelectric conversion efficiency. The electro catalytic reactor is provided with three electrode connected with the electrochemical workstation, the excitation light titanium produced by electron transfer to the electrode, reducing electron hole pair recombination rate, improve the photocatalytic efficiency of quantum. Therefore, the catalytic reduction reaction efficiency of carbon dioxide can be improved by adopting the device provided by the invention.

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化碳催化还原反应装置
本专利技术涉及二氧化碳催化还原领域，特别是涉及一种光电催化二氧化碳催化还原反应装置。
技术介绍
近年来，利用光催化还原技术将二氧化碳转化为清洁燃料已引起各国研究者的关注。从热力学角度看，二氧化碳的能级较低，化学惰性大，难以活化，要使其还原必须补充能量，且由于二氧化碳本身无法吸收波长在200～900nm之间的可见光和紫外光，因此，二氧化碳的光催化还原过程需引入光催化剂。当催化剂受到适当波长的光激发后产生电子-空穴对并迁移至催化剂表面，然后二氧化碳和水蒸气会被吸附在催化剂的活性反应位点，与具有还原性和氧化性的电子-空穴发生反应。空穴夺取水蒸气中的电子使其分解为形成强氧化型的氢氧根自由基和氢离子，而二氧化碳和新生成的氢离子可作为电子受体被还原为强氧化型二氧化碳阴离子自由基和氢原子自由基，进一步参与反应最终生成甲烷、甲醇、甲酸和甲醛等小分子碳氢有机化合物。尽管光催化转化二氧化碳的研究领域已取得了很大进展，但是目前仍存在催化剂光量子使用效率低、光电转换效率低、光生电子-空穴对的复合率高等问题。总体来说就是存在催化还原反应效率低的问题。因此，如何提高二氧化碳催化还原反应效率，是二氧化碳催化还原领域急需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种二氧化碳催化还原反应装置，以提高二氧化碳催化还原反应效率为目的。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种二氧化碳催化还原反应装置，所述二氧化碳催化还原反应装置包括：光催化反应器、设置于所述光催化反应器内的电催化反应器以及设置于所述光催化反应器外的电化学工作站和光源灯；所述光催化反应器侧壁设有光照窗口；所述光照窗口与所述光源灯的出光口对应设置；所述电催化反应器侧壁上嵌有钛片，所述钛片与所述光照窗口对应设置；所述电催化反应器内设有与所述电化学工作站相连的三电极；其中，所述钛片包括位于所述电催化反应器与所述光催化反应器之间的外侧面以及位于所述电催化反应器的内部的内侧面，所述钛片的外侧面经过处理形成钛氧化物光照催化复合材料，所述钛片的内侧面为光滑平整钛片结构。可选的，所述光催化反应器上端设有密封盖；所述密封盖上设有进气孔、出气孔和取样孔；其中，所述取样孔用橡皮塞密封。可选的，所述二氧化碳催化还原反应装置还包括二氧化碳气瓶、加热套、锥形瓶以及显示器；其中，所述二氧化碳气瓶通过第一导气管与所述加热套的进气口连接，用于为所述加热套提供二氧化碳气体；所述加热套的出气口通过第二导气管与所述密封盖上的进气孔连接，用于为所述光催化反应器提供二氧化碳气体和水蒸气；所述锥形瓶通过第三导气管与所述密封盖上的的出气孔连接，用于判断二氧化碳气体出气气流是否稳定；所述显示器与所述电化学工作站连接，用于实时显示二氧化碳催化还原反应过程。可选的，所述装置还包括针管和色谱仪；所述针管用于将所述针管插入所述密封盖上的取样口，抽取所述光催化反应器的反应气体，并将所述反应气体加入到所述色谱仪中；所述色谱仪，用于鉴定二氧化碳催化还原反应后的还原产物。可选的，所述电催化反应器包括一个壳体和嵌在所述壳体上的钛片；所述壳体和钛片形成封闭的电催化反应器；所述壳体的内部充满惰性电解质溶液。可选的，所述三电极包括工作电极、对电极和参比电极，所述工作电极、对电极和参比电极分别通过导线与所述电化学工作站连接；其中，所述工作电极为所述电催化反应器侧壁上的钛片，所述对电极为铂片，所述参比电极为饱和Ag/AgCl电极。可选的，所述光源灯为可调节波长长度的紫外灯。可选的，通过更换所述光源灯的滤光片确定所需光源的入射波长，通过调整所述光源灯和所述光催化反应器的距离确定所需的光源强度。可选的，所述钛片的外侧面为所述光催化反应器的气固界面和光照面；所述钛片的内侧面为所述电催化反应器的工作电极和液固界面。可选的，所述钛片的纯度为≥99.9％；所述外侧面的结构为整齐竖立管状阵列结构。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术提供了一种二氧化碳催化还原反应装置，该装置包括光催化反应器、设置于光催化反应器内的电催化反应器以及设置于光催化反应器外的电化学工作站和光源灯。其中，在光催化反应器侧壁设有光照窗口，与光源灯的出光口对应设置；电催化反应器侧壁上嵌有钛片，与光照窗口对应设置；钛片的外侧面介于电催化反应器与光催化反应器之间，经过形成钛氧化物光照催化复合材料，且为整齐竖立管状阵列结构，与其他形态的钛片相比，该结构的钛片具有更大的比表面积和更强的吸附能力，提高了光电转换效率。电催化反应器内设有与电化学工作站相连的三电极，使光激发钛片产生的电子转移到电极，降低了光生电子-空穴对的复合率，提高催化剂光量子使用效率。采用本专利技术提供的二氧化碳催化还原反应装置，能够提高二氧化碳催化还原反应效率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例二氧化碳催化还原反应装置结构示意图；图2为本专利技术实施例二氧化碳催化还原反应器结构示意图；图3为本专利技术实施例钛片外侧面的扫面电子显微镜近图；图4为本专利技术实施例钛片外侧面的扫面电子显微镜远图；图5为本专利技术实施例空白条件与加电条件下的循环伏安曲线对比图；图6为本专利技术实施例空白条件与光照条件下的循环伏安曲线对比图；图7为本专利技术实施例空白条件与光电条件下的循环伏安曲线对比图；图8为本专利技术实施例光照条件与光电条件下的循环伏安曲线对比图；图9为本专利技术实施例加电条件与光电条件下的循环伏安曲线对比图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。光催化二氧化碳还原反应是以光能作为激发能源来驱动氧化-还原过程的，一般经历两个基本过程：第一个过程就是先把二氧化碳吸附在光催化剂的活性反应位点上，第二个过程就是催化剂吸收能量比禁带宽度Eg大的光子来激发产生自由电子-空穴对，然后二氧化碳与自由电子-空穴之间发生催化还原反应。对于上述第二个过程，具体包括当催化剂受到的光照能量等于或大于其禁带能时，价带的电子就会吸收能量激发跃迁至导带，在导带和价带分别形成自由电子和空穴，并从催化剂内部迁移至表面。但是在光催化二氧化碳还原反应过程中发现，自由电子和空穴在迁移过程中，一部分迁移到半导体的表面，一部分会进行复合。且迁移到催化剂表面的光生电子虽然具有很强的还原能力，但是必须具有足够的负电势才能作为电子供体，而迁移到表面的空穴相应的必须具有足够的正电势才能作为电子受体。通过上段内容描述可知，虽然光催化转化二氧化碳的研究领域已取得了很大进展，但是仍存在光生电子-空穴对的复合率高、催化剂光量子使用效率低以及光电转换效率低等问题，即总体来说，二氧化碳催化还原反应的效率仍然较低。本专利技术针对以上问题，提供了一种二氧化碳催化还原反应装置，提高了二氧化碳催化还原反应效率。为使本专利技术的上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二氧化碳催化还原反应装置，其特征在于，所述二氧化碳催化还原反应装置包括：光催化反应器、设置于所述光催化反应器内的电催化反应器以及设置于所述光催化反应器外的电化学工作站和光源灯；所述光催化反应器侧壁设有光照窗口；所述光照窗口与所述光源灯的出光口对应设置；所述电催化反应器侧壁上嵌有钛片，所述钛片与所述光照窗口对应设置；所述电催化反应器内设有与所述电化学工作站相连的三电极；其中，所述钛片包括位于所述电催化反应器与所述光催化反应器之间的外侧面以及位于所述电催化反应器的内部的内侧面，所述钛片的外侧面经过处理形成钛氧化物光照催化复合材料，所述钛片的内侧面为光滑平整钛片结构。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化碳催化还原反应装置，其特征在于，所述二氧化碳催化还原反应装置包括：光催化反应器、设置于所述光催化反应器内的电催化反应器以及设置于所述光催化反应器外的电化学工作站和光源灯；所述光催化反应器侧壁设有光照窗口；所述光照窗口与所述光源灯的出光口对应设置；所述电催化反应器侧壁上嵌有钛片，所述钛片与所述光照窗口对应设置；所述电催化反应器内设有与所述电化学工作站相连的三电极；其中，所述钛片包括位于所述电催化反应器与所述光催化反应器之间的外侧面以及位于所述电催化反应器的内部的内侧面，所述钛片的外侧面经过处理形成钛氧化物光照催化复合材料，所述钛片的内侧面为光滑平整钛片结构。2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳催化还原反应装置，其特征在于，所述光催化反应器上端设有密封盖；所述密封盖上设有进气孔、出气孔和取样孔；其中，所述取样孔用橡皮塞密封。3.根据权利要求2所述的一种二氧化碳催化还原反应装置，其特征在于，所述二氧化碳催化还原反应装置还包括二氧化碳气瓶、加热套、锥形瓶以及显示器；其中，所述二氧化碳气瓶通过第一导气管与所述加热套的进气口连接，用于为所述加热套提供二氧化碳气体；所述加热套的出气口通过第二导气管与所述密封盖上的进气孔连接，用于为所述光催化反应器提供二氧化碳气体和水蒸气；所述锥形瓶通过第三导气管与所述密封盖上的的出气孔连接，用于判断二氧化碳气体出气气流是否稳定；所述显示器与所述电化学工作站连接，用于实时显示二氧化碳催化还原反应过程。4.根据权利要求2所述的一种二氧化碳催...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宏忠，庞龙，郭梅娜，李旭燕，王明花，
申请(专利权)人：郑州轻工业学院，
类型：发明
国别省市：河南,41