本發(fā)明屬于光催化，具體涉及一種利用日常太陽能光熱催化氧化vocs的裝置及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、揮發(fā)性有機(jī)物(vocs)是造成pm2.5和臭氧污染的重要前體物，且部分是有毒物質(zhì)和惡臭物質(zhì)，長期接觸會對人體健康產(chǎn)生危害。

2、熱催化氧化已經(jīng)商業(yè)化用于各種工業(yè)vocs治理，其需要化石燃料燃燒提供熱能作為驅(qū)動力。然而，化石燃料燃燒引起的高溫操作會致使能耗增加，并帶來新污染。以清潔、無污染、可再生的太陽能轉(zhuǎn)化的能量驅(qū)動vocs發(fā)生氧化反應(yīng)，是實現(xiàn)vocs凈化的理想方式。對于全光譜太陽光而言，半導(dǎo)體光催化劑通常只能吸收紫外光，或部分可見光，而紅外光區(qū)的能量不足以激發(fā)vocs發(fā)生反應(yīng)。太陽光譜中的部分可見、全部紅外并沒有得到有效的利用。

3、光熱轉(zhuǎn)換是一種新型的太陽能利用方案。一些金屬氧化物催化劑，具有寬光譜高吸收、良好的熱穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)調(diào)變性以及氧化還原能力，因而備受青睞。王文中等報道了二維多孔co3o4材料在太陽光照射下對丙烯和丙烷的催化性能。李遠(yuǎn)志團(tuán)隊研究了系列雙金屬氧化物光熱催化劑ceo2/tio2、co3o4/tio2、mnox/tio2、cemnxoy/tio2等。盡管金屬氧化物光熱催化劑在vocs治理上的研究已取得了一定的成效，但依然存在很多亟需解決的問題，例如驅(qū)動vocs催化反應(yīng)仍需高強(qiáng)度的光照(500mw/cm2以上)、易受中間產(chǎn)物沉積影響。

4、目前太陽能轉(zhuǎn)換的效率較低，一個重要的原因是太陽能量密度低、分散性強(qiáng)、不連續(xù)，使得我們至今仍缺乏對其高效、低成本、大規(guī)模利用的有效手段。因此，如何利用金屬氧化物結(jié)構(gòu)多樣性與可調(diào)控以及可設(shè)計性的優(yōu)點，合理設(shè)計和制備高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)光熱催化劑，以及如何借助聚光設(shè)備，在日常太陽光照射下取得優(yōu)異的vocs凈化能力還需要更具創(chuàng)新性的研究工作。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供了一種日常太陽光的利用裝置，該裝置可充分利用發(fā)散的日常太陽光以及全太陽光譜中的紫外、可見和紅外光譜部分以及聚焦發(fā)散的太陽光，解決了現(xiàn)有技術(shù)中對太陽光利用不充分的問題。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種太陽能驅(qū)動的光熱催化氧化vocs裝置，包括微型光熱反應(yīng)器、模擬太陽光的光源、菲涅爾透鏡、光熱材料。

4、所述光熱反應(yīng)器為微反應(yīng)器，光源位于微反應(yīng)器光窗正上方，菲涅爾透鏡介于二者之間，透鏡直徑可調(diào)，聚焦的光斑大小可調(diào)，光強(qiáng)可增大數(shù)十倍。

5、所述光熱材料為缺陷型3dom?lamn1.2o3，通過利用聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)作為硬模板制備3dom?lamn1.2o3。其中，錳金屬氧化物mnox在lamno3三維有序骨架上原位析出，可以實現(xiàn)金屬氧化物高分散的均勻分布，其多重散射與反射作用，可以增強(qiáng)光吸收，進(jìn)而最大程度的利用太陽光。通過硼氫化鈉、氫氣、鋁等方法還原3dom?lamn1.2o3制造表面氧缺陷，增加活性位點。

6、根據(jù)本發(fā)明的實施方案，所述缺陷型lamn1.2o3材料具有三維有序大孔結(jié)構(gòu)和氧缺陷。

7、據(jù)本發(fā)明的實施方案，所述缺陷型lamn1.2o3材料具有光熱協(xié)同增強(qiáng)作用。

8、本發(fā)明還提供上述三維有序大孔材料lamn1.2o3作為催化劑的應(yīng)用。優(yōu)選地，在光熱協(xié)同作用催化凈化vocs中的應(yīng)用。更優(yōu)選地，在以太陽光作為能源(代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石燃料)，驅(qū)動催化劑在光熱協(xié)同作用催化凈化vocs中的應(yīng)用。

9、示例性地，在光熱協(xié)同作用催化氧化甲苯中的應(yīng)用。

10、有益效果

11、(1)本發(fā)明提供的全太陽光譜太陽光利用裝置，可以最大限度的利用日常太陽光，借助線聚焦菲涅耳透鏡將日常太陽光會聚成圓形光斑，且光斑大小可調(diào)，光強(qiáng)能聚焦增強(qiáng)數(shù)十倍，用于催化反應(yīng)體系。(2)本發(fā)明提供的缺陷型3dom?lamn1.2o3，可以最大限度的利用全波段太陽光譜，紫外-小部分可見提供高能量的光子以及激發(fā)催化劑產(chǎn)生電子空穴對發(fā)生光催化反應(yīng)，大部分可見-紅外被吸收轉(zhuǎn)化為熱能、協(xié)同加強(qiáng)催化反應(yīng)，有效拓展太陽光利用范圍。本發(fā)明裝置簡單、經(jīng)濟(jì)，實現(xiàn)了對太陽光的高效利用。相比較于純的3domlamn1.2o3，本發(fā)明的缺陷型3dom?lamn1.2o3具有光熱協(xié)同增強(qiáng)作用，可在較低光強(qiáng)的太陽光照射下(60mw·cm-2，約0.6個太陽)及較短的時間內(nèi)，有效地實現(xiàn)揮發(fā)性有機(jī)物的降解。其中，氣體組成：21vol％o2+79vol％n2，缺陷型3dom?lamn1.2o3用量30mg，質(zhì)量空速25600ml·h-1·g-1條件下，甲苯轉(zhuǎn)化率為100％，礦化率為90％。

技術(shù)特征：

1.一種利用日常太陽能光熱催化氧化vocs的裝置及其應(yīng)用，其特征包括以下幾個步驟：(1)在光熱裝置中，光源位于光窗上方，所述的聚光裝置為菲涅爾透鏡，位于光源和光窗之間，能將光強(qiáng)為50-70mw/cm2日常太陽光會聚成圓形光斑，光斑大小可調(diào)，光強(qiáng)聚焦數(shù)十倍以上；(2)在光熱裝置中，所述的光熱材料為缺陷型三維大孔lamn1.2o3，能使得太陽光在鈣鈦礦里面進(jìn)行多次的折射、散射，實現(xiàn)紫外-可見-紅外全光譜太陽光高效捕獲、吸收、能量轉(zhuǎn)化，以及提供更多活性位點；(3)在光熱裝置中，所述的反應(yīng)器為微反應(yīng)器，且反應(yīng)腔室內(nèi)設(shè)置有熱電偶。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種利用日常太陽能光熱催化氧化VOCs的裝置及其應(yīng)用。光熱裝置包括微型光熱反應(yīng)器、模擬太陽光的光源、菲涅爾透鏡、光熱材料。所述裝置，在太陽能驅(qū)動光熱催化氧化VOCs的應(yīng)用。本發(fā)明，通過菲涅爾透鏡會聚日常太陽光(光強(qiáng)50?70mW/cm<supgt;2</supgt;)，光強(qiáng)能增大數(shù)十倍。通過提供缺陷型三維大孔錳酸鑭吸收聚焦的太陽光，并將光能轉(zhuǎn)化為熱能和化學(xué)能。本發(fā)明的有益效果：在日常太陽光照射下，通過聚光催化系統(tǒng)，甲苯降解率高達(dá)100％，礦化效率可達(dá)90％以上。

技術(shù)研發(fā)人員：賈宏鵬,李娟娟
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19