一种光热协同气固相催化反应装置及其应用制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种光热协同气固相催化反应装置及其应用，所述装置包括反应容器、温度监测模块和加热控温模块；其中，所述反应容器包括具有内腔的腔室、设置于腔室内腔中的催化剂托盘、设置于所述腔室上方的窗口、以及设置于所述窗口上方的顶盖；所述温度监测模块包括设置于腔室内腔中的热电偶、以及设置于所述腔室外部且与所述热电偶电连接的温度控制仪；所述加热控温模块包括设置于腔室内腔中的加热片、以及设置于所述腔室外部且与所述加热片电连接的直流稳压电源。本发明专利技术所提供的光热协同气固相催化反应装置同时适用于光催化、热催化及光热协同催化反应的研究，为对比研究各种催化反应间的共性问题提供了良好的平台。

A photo thermal synergistic gas-solid catalytic reaction unit and its application

The invention discloses a photo-thermal synergistic gas-solid catalytic reaction device and its application, the device comprises a reaction vessel, a temperature monitoring module and a heating and temperature control module, wherein the reaction vessel comprises a chamber with an inner chamber, a catalyst tray arranged in the chamber, a window arranged above the chamber, and a temperature control module. The temperature monitoring module includes a thermocouple arranged in the chamber cavity and a temperature controller arranged outside the chamber and electrically connected with the thermocouple; the heating control module includes a heating sheet arranged in the chamber cavity, and a heating sheet arranged outside the chamber cavity. The DC regulated power supply is electrically connected with the heating plate. The photo-thermal synergistic gas-solid catalytic reaction device provided by the invention is suitable for the study of photocatalytic, thermal and photo-thermal synergistic catalytic reactions simultaneously, and provides a good platform for the comparative study of the common problems among various catalytic reactions.

【技术实现步骤摘要】
一种光热协同气固相催化反应装置及其应用
本专利技术涉及催化
更具体地，涉及一种光热协同气固相催化反应装置及其应用。
技术介绍
面对日益严峻的能源与环境问题，实现太阳能等清洁能源的高效利用具有重要意义。在众多太阳能转换技术中，太阳能-化学能直接转化技术被认为是未来可持续能源的重要发展方向之一。目前，化工领域的众多催化反应仍然需要较高的运行温度，不可避免地造成了大量的能源消耗。而太阳光谱中可用于发热的红外光占光谱总能量的52％，因此利用太阳能的光热效应使催化剂表面温度迅速升高并达到热催化反应所需温度，同时利用光生载流子的氧化还原能力，在不需外部热源的条件下实现与热催化相同甚至更高的催化性能，作为光催化及热催化领域的新兴交叉学科，预计将在诸多催化反应中发挥重大作用。目前国内光热催化反应的研究主要集中在催化材料的选择和制备，对于反应装置的设计仍没有一套有效的解决方案。然而，研究此类催化反应的过程往往需要同时讨论光、热两种驱动力下的催化反应行为，而目前实验室采用的光催化及热催化反应装置相互独立，装置结构、测试条件等参数各不相同，难以实现“一釜多用”，即在相同反应装置中同时进行光、热催化对比研究，因此不能满足光热催化这一交叉学科的实验需求。此外，由于光热作用的特殊性，催化剂在光照下的升温过程非常迅速，往往在1min内可以从室温升至300-400℃，而通过对催化装置整体加热的方法进行对比实验时无法实现上述超快速升温过程，且加热效率低，对反应装置的隔热、耐热性能也十分严苛。更重要的是，通过光照产生的超快速升温过程是局域的，催化剂表面的温度与其周围临近区域(如装置内壁、受光面背侧等)的温度相差极大，因此对催化剂表面温度的控制与实时检测提出了更高要求。许多气固相催化反应如费托合成、逆水煤气变化等，其催化反应的转化率及选择性对温度极其敏感，因此升温速率不一致、催化剂表面温度控制与检测不准确等因素均会对催化结果造成干扰，导致对光热催化反应机制产生错误的判断。若能将光催化及热催化反应装置相结合，实现光照及局域加热条件下催化剂表面温度的实时、准确检测，并实现光热同步快速升温过程，将为研究光热催化反应机理提供理想的实验条件。因此，本专利技术提供了一种光热协同气固相催化反应装置及其应用。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供一种光热协同气固相催化反应装置。所述光热协同气固相催化反应装置为兼容光催化、热催化及光热协同催化反应于一体的多用途反应装置。本专利技术同时集成了催化剂表面温度实时监测及光热同步快速升温控制模块，可作为模型反应器进行光催化与热催化的对比实验以及光热协同催化相关机理的研究，为光热催化这一前沿交叉学科提供良好的研究平台。本专利技术的另一个目的在于提供一种光热协同气固相催化反应装置的应用。本专利技术提供的反应装置简单高效，可进行如费托合成、二氧化碳加氢、氮气加氢合成氨等多种化工领域重要气固相催化反应。为达到上述第一个目的，本专利技术采用下述技术方案：一种光热协同气固相催化反应装置，包括反应容器、温度监测模块和加热控温模块；其中，所述反应容器包括具有内腔的腔室、设置于腔室内腔中的催化剂托盘、设置于所述腔室上方的窗口、以及设置于所述窗口上方的顶盖；所述腔室的顶端包括有贯通所述腔室顶端上下表面的开口部；所述顶盖包括有贯通所述顶盖上下表面的镂空部；所述腔室的侧壁设有贯穿所述侧壁内外表面的进气管路以及出气管路；所述温度监测模块包括设置于腔室内腔中的热电偶、以及设置于所述腔室外部且与所述热电偶电连接的温度控制仪；所述加热控温模块包括设置于腔室内腔中的加热片、以及设置于所述腔室外部且与所述加热片电连接的直流稳压电源。本专利技术中，所述腔室用于容纳各个组件，所述催化剂托盘用于承装催化剂，所述窗口用于将光源发出的入射光透过至催化剂表面，所述顶盖用于固定窗口并使反应装置密闭，所述热电偶用于探测催化剂表面温度，所述温度控制仪用于记录温度数值，所述加热片用于对催化剂加热，所述直流稳压电源用于调节加热片输出功率，所述进气管路用于连接外部气瓶，所述出气管路用于连接外部真空泵或连通大气。优选地，所述催化剂托盘设置于热电偶和加热片之间。优选地，所述热电偶的下表面与所述催化剂托盘的上表面结合固定，该设置方式是为了避免热电偶与催化剂托盘发生横向位移或纵向分离，并保证热电偶与催化剂形成良好接触，从而无论在光照或加热条件下都能准确监测催化剂表面温度，并保证了每次实验的可重复性。优选地，所述加热片的上表面与所述催化剂托盘的下表面结合固定，该设置方式是为了将加热片产生的热量充分传递至催化剂托盘，经由催化剂托盘的传热作用对催化剂加热，从而避免了因加热片与催化剂空间分离造成的加热效率低的问题，并使催化剂受热均匀，同时保证了每次实验的可重复性。优选地，所述窗口和所述腔室之间设有第一密封圈。本专利技术中第一密封圈用于密封顶盖与窗口间的缝隙。优选地，所述窗口和所述顶盖之间设有第二密封圈。本专利技术中第二密封圈用于密封腔室与窗口间的缝隙。优选地，所述顶盖的端部设有贯穿所述顶盖上下表面的安装孔。优选地，所述腔室的侧壁顶端设有与所述安装孔对应设置的安装螺孔。本专利技术中安装孔用于装配螺丝，安装螺孔用于旋紧螺丝，将顶盖、窗口与腔室通过上、下密封圈紧固，其优势在于保证装置在一定压力或真空度下具有良好气密性。优选地，所述进气管路上设有位于所述腔室外部的进气阀门。本专利技术中进气阀门用于控制向腔室内腔充入反应气体。优选地，所述出气管路上设有位于所述腔室外部的出气阀门。本专利技术中出气阀门用于控制将反应气体排出腔室。优选地，所述腔室外壁和所述出气阀门之间的出气管路上设有螺纹盖，所述螺纹盖的顶部设有贯穿螺纹盖内外表面的小孔，所述螺纹盖的内部设有密封垫。本专利技术中螺纹盖通过密封垫与出气管路紧密贴合，不仅保证装置的气密性，同时方便取样针通过顶部小口穿过密封垫取样，保证取样过程装置的气密性。为达到上述第二个目的，本专利技术采用下述技术方案：一种上述光热协同气固相催化反应装置在催化剂表面温度的实时监测、模拟光热作用下催化剂的升温控制、以及兼容光催化、热催化和光热协同催化反应中的应用。优选地，所述光热协同气固相催化反应装置用于催化剂表面温度的实时监测的具体步骤如下：将热电偶与催化剂托盘上表面结合固定，将催化剂平铺于催化剂托盘中，将催化剂均匀覆盖于热电偶表面，使其与热电偶形成良好物理接触；在光照条件下，通过与热电偶电连接的温度控制仪实时监测催化剂表面温度变化情况。优选地，所述光热协同气固相催化反应装置用于模拟光热作用下催化剂的升温控制的具体步骤如下：将热电偶与加热片分别与催化剂托盘的上表面和下表面结合固定，将催化剂平铺于催化剂托盘中，将催化剂均匀覆盖于热电偶表面，使其与热电偶形成良好物理接触；控制与加热片电连接的直流稳压电源对加热片的输出功率进行调节，通过与热电偶电连接的温度控制仪实时监测催化剂表面温度变化情况，从而模拟光热作用下催化剂的迅速升温过程。优选地，所述光热协同气固相催化反应装置用于兼容光催化、热催化和光热协同催化反应的具体步骤如下：i)将催化剂平铺于催化剂托盘中；将顶盖、第二密封圈、窗口、第一密封圈与腔室通过螺钉密封；开启进气阀门和出气阀门，从进气阀门充入反应气体，直至反应气体充满腔室内腔，关闭进气阀门和出气阀门；ii)在研本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光热协同气固相催化反应装置，其特征在于，包括反应容器、温度监测模块和加热控温模块；其中，所述反应容器包括具有内腔的腔室、设置于腔室内腔中的催化剂托盘、设置于所述腔室上方的窗口、以及设置于所述窗口上方的顶盖；所述腔室的顶端包括有贯通所述腔室顶端上下表面的开口部；所述顶盖包括有贯通所述顶盖上下表面的镂空部；所述腔室的侧壁设有贯穿所述侧壁内外表面的进气管路以及出气管路；所述温度监测模块包括设置于腔室内腔中的热电偶、以及设置于所述腔室外部且与所述热电偶电连接的温度控制仪；所述加热控温模块包括设置于腔室内腔中的加热片、以及设置于所述腔室外部且与所述加热片电连接的直流稳压电源。

【技术特征摘要】
1.一种光热协同气固相催化反应装置，其特征在于，包括反应容器、温度监测模块和加热控温模块；其中，所述反应容器包括具有内腔的腔室、设置于腔室内腔中的催化剂托盘、设置于所述腔室上方的窗口、以及设置于所述窗口上方的顶盖；所述腔室的顶端包括有贯通所述腔室顶端上下表面的开口部；所述顶盖包括有贯通所述顶盖上下表面的镂空部；所述腔室的侧壁设有贯穿所述侧壁内外表面的进气管路以及出气管路；所述温度监测模块包括设置于腔室内腔中的热电偶、以及设置于所述腔室外部且与所述热电偶电连接的温度控制仪；所述加热控温模块包括设置于腔室内腔中的加热片、以及设置于所述腔室外部且与所述加热片电连接的直流稳压电源。2.根据权利要求1所述的光热协同气固相催化反应装置，其特征在于，所述催化剂托盘设置于热电偶和加热片之间；优选地，所述热电偶的下表面与所述催化剂托盘的上表面结合固定；优选地，所述加热片的上表面与所述催化剂托盘的下表面结合固定。3.根据权利要求1所述的光热协同气固相催化反应装置，其特征在于，所述窗口和所述腔室之间设有第一密封圈；所述窗口和所述顶盖之间设有第二密封圈。4.根据权利要求1所述的光热协同气固相催化反应装置，其特征在于，所述顶盖的端部设有贯穿所述顶盖上下表面的安装孔；所述腔室的侧壁顶端设有与所述安装孔对应设置的安装螺孔。5.根据权利要求1所述的光热协同气固相催化反应装置，其特征在于，所述进气管路上设有位于所述腔室外部的进气阀门；所述出气管路上设有位于所述腔室外部的出气阀门；优选地，所述腔室外壁和所述出气阀门之间的出气管路上设有螺纹盖，所述螺纹盖的顶部设有贯穿螺纹盖内外表面的小孔，所述螺纹盖的内部设有密封垫。6.根据权利要求1所述的光热协同气固相催化反应装置，其特征在于，所述腔室外部设有压力表，用于测量腔室内部的压力。7.一种如权利要求1～6任一项权利要求所述的光热协同气固相催化反应装置在催化剂表面温度的实时监测、模拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：张铁锐，施润，赵宇飞，李振华，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11