一种分离式光谱分光太阳能光催化反应系统技术方案

本发明专利技术公开一种分离式光谱分光太阳能光催化反应系统，属于太阳能利用技术领域。所述太阳能光催化反应系统包括1个聚光系统、N个分光单元、N+1个反应单元，其中，N≥3；聚光系统位于光催化反应系统的前端，第一分光单元设置于聚光系统后面，具有第一反射端与第一透射端；依次类推，第N分光单元设置于第N‑1分光单元的后面，与第N‑1透射端正对，具有第N反射端与第N透射端；第一反应单元设置于第一分光单元的第一反射端，依次类推，第N反应单元设置于第N分光单元的第N反射端；第N+1反应单元设置于第N分光单元的第N透射端。本发明专利技术所述系统光路简单、损耗低、易于实现，实验了光催化反应系统的全光谱响应，提高了光催化反应系统的光‑化学转换效率，拓宽了光催化反应系统的应用范围。

A Separated Spectroscopic Solar Photocatalytic Reaction System

The invention discloses a separated spectroscopic solar photocatalytic reaction system, which belongs to the technical field of solar energy utilization. The solar photocatalytic reaction system comprises a concentrating system, N splitting units and N+1 reaction units, in which N (> 3); the concentrating system is located at the front end of the photocatalytic reaction system, and the first splitting unit is located behind the concentrating system, with the first reflecting end and the first transmitting end; by analogy, the N splitting unit is located behind the N 1 splitting unit and transmits with the N 1 splitting unit. The first reaction unit is located at the first reflection end of the first splitting unit, and by analogy, the N reaction unit is located at the N reflection end of the N splitting unit, and the N + 1 reaction unit is located at the N transmission end of the N splitting unit. The system has the advantages of simple optical path, low loss and easy realization. The full spectrum response of the photocatalytic reaction system is experimented, the photocatalytic conversion efficiency of the photocatalytic reaction system is improved, and the application scope of the photocatalytic reaction system is broadened.

【技术实现步骤摘要】
一种分离式光谱分光太阳能光催化反应系统
本专利技术涉及一种分离式光谱分光太阳能光催化反应系统，属于太阳能利用

技术介绍
在太阳能利用的三种常见方式（光-热转换、光-电转换和光-化学转换）中，光催化技术属于光-化学转换方式，其机理类似于自然界的光合作用，主要应用于分解水制氢、CO2还原制备碳氢化合物、环境净化、有机合成等多个领域。该技术不但增加了可再生能源的供应形式和数量、减轻了对环境的污染和破坏，与此同时还能够对环境污染进行治理，因而成为目前非常值得关注和开发的领域。太阳能光催化技术发展的关键在于开发高效、廉价、稳定的宽光谱响应半导体光催化材料。受到天然或人工材料能带结构的物理制约，任何单一种类的半导体光催化材料的工作区都不可能匹配并完全覆盖太阳光谱，即：单一材料的光化学转换效率在太阳光谱区内的分布是极不均匀的，其峰值转换效率难以与太阳光谱相匹配，导致在实际光化学转换应用中来自太阳光的大部分能量都被透射、反射或被转换成热而被浪费掉了。若通过减小带隙实现宽光谱响应，通常会导致半导体的氧化还原能力降低的同时也会使光生电子-空穴对更易复合，降低了量子转换效率，因此，单纯的通过减小材料带隙的方式拓展光谱响应区间将会严重影响其光催化效果，是不可取的。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种分离式光谱分光太阳能光催化反应系统，克服了单一材料太阳能利用效率低的问题，从而实现宽光谱范围内的高吸收，同时又保证氧化还原能力及量子转换效率不受负面影响。本专利技术通过以下技术方案实现：一种分离式光谱分光太阳能光催化反应系统，包括1个聚光系统、N个分光单元、N+1个反应单元，其中，N≥3；所述反应单元用于接收对应的反射子波段光谱进行光催化反应；聚光系统位于光催化反应系统的前端，第一分光单元设置于聚光系统后面，具有第一反射端与第一透射端；第二分光单元设置于第一分光单元的后面，与第一透射端正对，具有第二反射端与第二透射端；依次类推，第N分光单元设置于第N-1分光单元的后面，与第N-1透射端正对，具有第N反射端与第N透射端；第一反应单元设置于第一分光单元的第一反射端，第二反应单元设置于第二分光单元的第二反射端，依次类推，第N反应单元设置于第N分光单元的第N反射端；第N+1反应单元设置于第N分光单元的第N透射端（即最后一个反应单元设置于与其相邻的分光单元的透射端）优选的，本专利技术所述聚光系统为高倍聚光系统，用于将入射的太阳光谱进行汇聚，增加太阳能的能量密度；聚光波段为250-2500nm。优选的，本专利技术所述分光单元为分光镜（可采用平板型长波通二向色镜或者平板型长波通二向分束器），分光镜与聚光后的太阳光的光路呈45°倾斜放置。优选的，本专利技术反应单元中设有光催化材料，所述光催化材料为响应所对应分光单元的反射子波段的光催化材料；其中第N+1个反应单元中的光催化材料为响应第N个分光单元的透射子波段的光催化材料（即最后一个反应单元中的光催化材料为响应与其相邻的分光单元的透射子波段的光催化材料）。本专利技术所述光催化反应系统可以应用于降解污染物、分解水产氢和产氧。本专利技术所述N的具体数值由光催化材料的光谱响应曲线、禁带宽度和太阳光谱特性决定。本专利技术所述的所有反应单元中的光催化材料根据反应要求可以设置为粉末体系和薄膜体系；对于光催化效率要求高、不要求回收光催化材料的情况，可以采用粉末材料体系；对于有光催化材料回收要求的情况，可以采用薄膜材料体系；对于要求光催化分解水反应体系，如果要求对产物中的氢气和氧气进行分离，可以采用薄膜材料体系。本专利技术所述的反应单元为制备工艺成熟、对相应波段的光-化学转换效率高、成本低的分离光催化体系。本专利技术的有益效果：（1）克服了单一材料只能响应特定波段的太阳光，实现了对太阳光谱的全光谱响应，显著解决了太阳能利用效率低的问题。（2）在实现全光谱高吸收的同时，又保证氧化还原能力及量子转换效率不受负面影响。（3）所选用的材料为已经研究成熟的光催化材料体系，由于采用分离式系统结构，本专利技术易于集成、更换和重复使用；一方面可以针对特定的反应目标进行不同光催化材料的合理集成；另一方面，系统中的聚光单元、分光单元、以及器件框架等可以重复使用，对于不同的反应目标，只需要更换光催化材料即可。附图说明图1为太阳能辐射的光谱能量分布图；图2为所述分离式光谱分光太阳能光催化反应系统的原理示意图；图3为实施例1所述分离式光谱分光太阳能光催化反应系统的结构示意图；图4为实施例2所述分离式光谱分光太阳能光催化反应系统的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于所述内容。实施例1一种分离式光谱分光太阳能光催化反应系统，包括1个聚光系统、N个分光单元、N+1个反应单元，其中N=3（如图2~3所示）。所述聚光系统为高倍聚光系统，用于将入射的太阳光谱进行汇聚，增加太阳能的能量密度；聚光波段为250-2500nm；所述分光单元为分光镜（可采用平板型长波通二向色镜或者平板型长波通二向分束器），分光镜与聚光后的太阳光的光路呈45°倾斜放置。第一分光单元：设置于聚光系统端，具有第一反射端与第一透射端；所述的第一分光单元能够将经过聚光系统汇聚后的入射太阳光分解为第一反射子波段光谱（250-400nm光谱）和第一透射子波段光谱（400-2500nm光谱）；第二分光单元：设置于所述的第一透射端，具有第二反射端与第二透射端；所述的第二分光单元能够将入射的第一透射子波段光谱分解分解为第二反射子波段光谱（400-800nm光谱）和第二透射子波段光谱（800-2500nm光谱）；第三分光单元：设置于所述的第二透射端，具有第三反射端与第三透射端；所述的第三分光单元能够将入射的第二透射子波段光谱分解分解为第三反射子波段光谱（800-1200nm）和第三透射子波段光谱（1200-2500nm光谱）；第一反应单元：设置于所述第一分光单元的第一反射端，用于将所述第一反射子波段光谱的太阳能转换为化学能；第一反应单元内设有响应紫外光波段的光催化材料（本实施例选用二氧化钛TiO2）用于水分解制氢或者降解各类污染物。第二反应单元，置于所述第二分光单元的第二反射端，用于将所述的第二反射子波段光谱的太阳能转换为化学能；所述第二反应单元内设有响应可见光波段的光催化材料（本实施例选用硫化钼MoS2）用于水分解制氢或者降解各类污染物。第三反应单元，置于所述第三分光单元的第三反射端，用于将所述的第三反射子波段光谱的太阳能转换为化学能。所述第三反应单元内设有响应近红外光波段的光催化材料（本实施例选用黑二氧化钛）用于水分解制氢或者降解各类污染物。第四反应单元，置于所述第三分光单元的第三透射端，用于将所述的第三透射子波段光谱的太阳能转换为化学能；所述第四反应单元内设有响应近红外光波段的光热协同催化的光催化材料（本实施例选用介孔纳米氧化铈CeO2）用于水分解制氢或者降解各类污染物。该系统不但克服了单一材料只能响应特定波段的太阳光，太阳能利用效率低的问题，还在拓宽了光谱吸收范围的同时又保证氧化还原能力及量子转换效率不受负面影响，进而实现了光催化分解水或降解各类污染物过程太阳能的高效利用。本实施例所述分离式光谱分光太阳能光催化反应系统可以用于水分解或者本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分离式光谱分光太阳能光催化反应系统，其特征在于：包括1个聚光系统、N个分光单元、N+1个反应单元，其中N ≥ 3；聚光系统位于光催化反应系统的前端，第一分光单元设置于聚光系统后面，具有第一反射端与第一透射端；第二分光单元设置于第一分光单元的后面，与第一透射端正对，具有第二反射端与第二透射端；依次类推，第N分光单元设置于第N‑1分光单元的后面，与第N‑1透射端正对，具有第N反射端与第N透射端；第一反应单元设置于第一分光单元的第一反射端，第二反应单元设置于第二分光单元的第二反射端，依次类推，第N反应单元设置于第N分光单元的第N反射端；第N+1反应单元设置于第N分光单元的第N透射端，即最后一个反应单元设置于与其相邻的分光单元的透射端。

【技术特征摘要】
1.一种分离式光谱分光太阳能光催化反应系统，其特征在于：包括1个聚光系统、N个分光单元、N+1个反应单元，其中N≥3；聚光系统位于光催化反应系统的前端，第一分光单元设置于聚光系统后面，具有第一反射端与第一透射端；第二分光单元设置于第一分光单元的后面，与第一透射端正对，具有第二反射端与第二透射端；依次类推，第N分光单元设置于第N-1分光单元的后面，与第N-1透射端正对，具有第N反射端与第N透射端；第一反应单元设置于第一分光单元的第一反射端，第二反应单元设置于第二分光单元的第二反射端，依次类推，第N反应单元设置于第N分光单元的第N反射端；第N+1反应单元设置于第N分光单元的第N透射端，即最后一个反应单元设置于与其相邻的分光单元的透射端。2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘清路，赵宗彦，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53