本發(fā)明屬于光催化，具體涉及一種仿生光催化反應(yīng)器。

背景技術(shù)：

1、目前，傳統(tǒng)化石能源不斷消耗，碳排放量持續(xù)增長(zhǎng)，面對(duì)全球范圍內(nèi)的一系列能源環(huán)境問題，發(fā)展新型的清潔替代能源已迫在眉睫。氫氣具有熱值高、無污染等優(yōu)點(diǎn)，可用于能源、交通、化工、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域，有望作為未來可持續(xù)發(fā)展的能源載體之一。然而，傳統(tǒng)制氫技術(shù)仍面臨制備過程復(fù)雜、污染環(huán)境、碳排放高等問題。通過模仿植物自然光合作用實(shí)現(xiàn)的太陽能光催化分解水，被認(rèn)為是一種大規(guī)模生產(chǎn)可再生氫能的潛在技術(shù)，該技術(shù)能夠利用太陽光照射半導(dǎo)體光催化劑產(chǎn)生的電子空穴對(duì)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)分解水制氫，具有流程簡(jiǎn)單、環(huán)境友好、易規(guī)模化的優(yōu)勢(shì)，在能源領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注并展現(xiàn)出初步應(yīng)用的潛力。

2、然而，現(xiàn)有的光催化反應(yīng)體系往往局限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)粉末分散體系的研究，盡管一些高性能光催化劑在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)表現(xiàn)良好，由于缺乏能夠有效利用太陽光并增強(qiáng)能量和物質(zhì)傳遞的光催化分解水反應(yīng)器，整體分解水反應(yīng)的效率仍離工業(yè)化具有較大差距。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為克服現(xiàn)有技術(shù)中分解水反應(yīng)的效率的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種仿生光催化反應(yīng)器，該仿生催化反應(yīng)器能夠提高分解水反應(yīng)的效率高。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種仿生光催化反應(yīng)器，包括循環(huán)泵、仿生光催化反應(yīng)器和儲(chǔ)液集氣瓶；循環(huán)泵與仿生光催化反應(yīng)器相連，仿生光催化反應(yīng)器與儲(chǔ)液集氣瓶相連，儲(chǔ)液集氣瓶與循環(huán)泵相連；

4、仿生光催化反應(yīng)器通過將若干個(gè)反應(yīng)單元通過堆疊、串聯(lián)、并聯(lián)或串并相接的方式形成。

5、進(jìn)一步的，還包括與循環(huán)泵相連與的循環(huán)泵配套電池。

6、進(jìn)一步的，仿生光催化反應(yīng)器包括前蓋板、多個(gè)反應(yīng)單元、后蓋板和密封墊片；其中，反應(yīng)單元一側(cè)設(shè)置前蓋板，另一側(cè)設(shè)置后蓋板，多個(gè)反應(yīng)單元與前蓋板之間以及反應(yīng)單元與后蓋板之間設(shè)置密封墊片。

7、進(jìn)一步的，反應(yīng)單元包括堆疊在一起且相連通的多個(gè)液室腔體，相鄰液室腔體之間設(shè)置有光催化劑平板，液室腔體與前蓋板之間設(shè)置有石英光窗。

8、進(jìn)一步的，每個(gè)液室腔體上設(shè)置有接口，接口處設(shè)置有堵頭。

9、進(jìn)一步的，堵頭包括上接口堵頭、下接口堵頭、左接口堵頭與右接口堵頭，液室腔體、前蓋板、后蓋板、上接口堵頭、右接口堵頭、下接口堵頭與左接口堵頭均使用聚醚醚酮、聚四氟乙烯或樹脂材料加工而成；液室腔體為正方形，圓形或長(zhǎng)方形。

10、進(jìn)一步的，光催化劑平板的一側(cè)為負(fù)載有光催化劑的正方形石英玻璃片，光催化劑為金屬氫氧化物類、金屬顆粒類、金屬氧化物類、鈣鈦礦類、有機(jī)半導(dǎo)體及非金屬復(fù)合光催化劑中的一種或多種。

11、進(jìn)一步的，光催化劑負(fù)載的方式包括絲網(wǎng)印刷、超聲噴涂、旋涂法、流延法、轉(zhuǎn)印法和原位生長(zhǎng)法中的一種或多種。

12、進(jìn)一步的，仿生光催化反應(yīng)器的一側(cè)設(shè)置有光源，光源是太陽光、氙燈、led燈或汞燈，光源的光照方向正對(duì)仿生光催化反應(yīng)器的石英光窗。

13、進(jìn)一步的，仿生光催化反應(yīng)器用于光催化分解水產(chǎn)氫反應(yīng)、光催化分解水產(chǎn)氧反應(yīng)、光催化硝基還原反應(yīng)、光催化醇類氧化反應(yīng)、光催化苯并咪唑基團(tuán)合成反應(yīng)、光催化合成溴代藥物反應(yīng)與光催化[2+2]環(huán)加成反應(yīng)等光催化反應(yīng)中的一種或多種。

14、與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

15、本發(fā)明提供的一種仿生光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用，通過模仿植物葉綠體內(nèi)類囊體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)了仿生光催化反應(yīng)器，相比于傳統(tǒng)單層的光催化反應(yīng)裝置，本發(fā)明考慮到催化劑對(duì)光能利用不充分的問題，通過對(duì)反應(yīng)單元的縱向堆疊、串聯(lián)、并聯(lián)或串并實(shí)現(xiàn)光催化劑對(duì)太陽光的充分利用。本發(fā)明提供的仿生催化反應(yīng)器，在應(yīng)用于光催化分解水制氫反應(yīng)時(shí)，能夠有效發(fā)揮仿生設(shè)計(jì)思路，多層反應(yīng)單元實(shí)現(xiàn)太陽光的逐層吸收利用，產(chǎn)生的氫氧氣體通過水的流動(dòng)帶出反應(yīng)單元至儲(chǔ)液集氣瓶，顯著增強(qiáng)了光催化分解水制氫時(shí)反應(yīng)體系的能量與物質(zhì)傳遞，克服了傳統(tǒng)體系內(nèi)傳質(zhì)困難與太陽光利用效率低下的問題，太陽能到氫能的轉(zhuǎn)化效率得到顯著提高；本發(fā)明提供的仿生光催化反應(yīng)器，利用多個(gè)仿生光催化反應(yīng)器多層拼接并聯(lián)組成放大光催化模塊，多個(gè)放大光催化模塊進(jìn)一步連接，其多天的戶外運(yùn)行清楚地展示了采用多層堆疊式光催化反應(yīng)器進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用的可行性。

16、進(jìn)一步的，為了解決光催化反應(yīng)裝置的放大后光催化劑反應(yīng)效率降低的問題，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)單元的快速拼接拓展，本發(fā)明通過設(shè)計(jì)構(gòu)建接口堵頭，實(shí)現(xiàn)高效反應(yīng)單元的平面快速擴(kuò)展拼接，從而達(dá)到高效光催化單元的數(shù)增耦合。

17、進(jìn)一步的，光催化劑平板上負(fù)載有高效分解水z型異質(zhì)結(jié)光催化劑，同時(shí)利用數(shù)增法實(shí)現(xiàn)更大面積的太陽光充分利用，從而解決太陽光利用效率較低的問題。

技術(shù)特征：

1.一種仿生光催化反應(yīng)器，其特征在于，包括循環(huán)泵（1）、仿生光催化反應(yīng)器（3）和儲(chǔ)液集氣瓶（4）；循環(huán)泵（1）與仿生光催化反應(yīng)器（3）相連，仿生光催化反應(yīng)器（3）與儲(chǔ)液集氣瓶（4）相連，儲(chǔ)液集氣瓶（4）與循環(huán)泵（1）相連；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生光催化反應(yīng)器，其特征在于，還包括與循環(huán)泵（1）相連與的循環(huán)泵配套電池（2）。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生光催化反應(yīng)器，其特征在于，仿生光催化反應(yīng)器（3）包括前蓋板（9）、多個(gè)反應(yīng)單元（10）、后蓋板（11）和密封墊片；其中，反應(yīng)單元（10）一側(cè)設(shè)置前蓋板（9），另一側(cè)設(shè)置后蓋板（11），多個(gè)反應(yīng)單元（10）與前蓋板（9）之間以及反應(yīng)單元（10）與后蓋板（11）之間設(shè)置密封墊片。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生光催化反應(yīng)器，其特征在于，反應(yīng)單元（10）包括堆疊在一起且相連通的多個(gè)液室腔體，相鄰液室腔體之間設(shè)置有光催化劑平板（7），液室腔體與前蓋板（9）之間設(shè)置有石英光窗（6）。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生光催化反應(yīng)器，其特征在于，每個(gè)液室腔體上設(shè)置有接口，接口處設(shè)置有堵頭。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的仿生光催化反應(yīng)器，其特征在于，堵頭包括上接口堵頭（12）、下接口堵頭（14）、左接口堵頭（15）與右接口堵頭（13），液室腔體、前蓋板（9）、后蓋板（11）、上接口堵頭（12）、右接口堵頭（13）、下接口堵頭（14）與左接口堵頭（15）均使用聚醚醚酮、聚四氟乙烯或樹脂材料加工而成；液室腔體為正方形，圓形或長(zhǎng)方形。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生光催化反應(yīng)器，其特征在于，光催化劑平板（7）的一側(cè)為負(fù)載有z型異質(zhì)結(jié)光催化劑的正方形石英玻璃片，光催化劑為金屬氫氧化物類、金屬顆粒類、金屬氧化物類、鈣鈦礦類、有機(jī)半導(dǎo)體及非金屬復(fù)合光催化劑中的一種或多種。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生光催化反應(yīng)器，其特征在于，光催化劑負(fù)載的方式包括絲網(wǎng)印刷、超聲噴涂、旋涂法、流延法、轉(zhuǎn)印法和原位生長(zhǎng)法中的一種或多種。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生光催化反應(yīng)器，其特征在于，仿生光催化反應(yīng)器（3）的一側(cè)設(shè)置有光源，光源是太陽光、氙燈、led燈或汞燈，光源的光照方向正對(duì)仿生光催化反應(yīng)器（3）的石英光窗（6）。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生光催化反應(yīng)器，其特征在于，仿生光催化反應(yīng)器（3）用于光催化分解水產(chǎn)氫反應(yīng)、光催化分解水產(chǎn)氧反應(yīng)、光催化硝基還原反應(yīng)、光催化醇類氧化反應(yīng)、光催化苯并咪唑基團(tuán)合成反應(yīng)、光催化合成溴代藥物反應(yīng)與光催化[2+2]環(huán)加成反應(yīng)等光催化反應(yīng)中的一種或多種。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種仿生光催化反應(yīng)器，包括循環(huán)泵、仿生光催化反應(yīng)器和儲(chǔ)液集氣瓶；循環(huán)泵與仿生光催化反應(yīng)器相連，仿生光催化反應(yīng)器與儲(chǔ)液集氣瓶相連，儲(chǔ)液集氣瓶與循環(huán)泵相連；仿生光催化反應(yīng)器通過將若干個(gè)反應(yīng)單元通過堆疊、串聯(lián)、并聯(lián)或串并相接的方式形成。本發(fā)明模仿植物葉綠體類囊體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)了仿生光催化反應(yīng)器，利用數(shù)增法將多個(gè)反應(yīng)單元堆疊實(shí)現(xiàn)了光催化分解水的更大面積應(yīng)用與體系傳質(zhì)的增強(qiáng)，負(fù)載有高效分解水Z型異質(zhì)結(jié)光催化劑平板的多層堆疊使太陽光利用效率大幅提升；同時(shí)多個(gè)仿生光催化反應(yīng)器串/并聯(lián)所組成反應(yīng)系統(tǒng)的戶外運(yùn)行清楚地展示了采用多層堆疊式光催化反應(yīng)器進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用的可行性。

技術(shù)研發(fā)人員：沈少華,王亦清,周昊天,李崢瑋
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19