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太阳能产氢间歇式和非间歇式光催化反应器

在光催化分解水体系中,光催化剂与水混合形成一个均相或者多相混合的悬浊液体系。光催化分解水通常是在这种悬浊液体系中进行Tachibana等称之为基于半导体粉体材料的光催化分解水设备。lVi童话村网站目录

从理论的角度来看,可靠的光催化反应器应具有在损失最小光能的基础上,有效地吸收大部分的光能,并促进光催化反应的发生。另外从实际应用或者工业化生产角度考虑,制氢反应器设立的技术难题和制氢成本控制在反应器设计过程中是同等重要的[47]与水处理光反应器不同,为了保护反应物免受空气影响和避免氢气的泄漏损失,光催化分解水反应器需要良好的密封装置。把耐热玻璃容器与气体收集器连接起来,就形成一个简易的光催化分解水装置。图5-7为 Mangrulkar等的光催化分解水装置图[48]。将所有反应物转移到管式耐热玻璃反应器后,将冷凝器施加在该反应器顶部并将反应器与气体收集器连接。反应后,将气体收集器从反应器中分离出,然后连接到气相色谱(GC)以检测氢气的含量和纯度[48]。lVi童话村网站目录

5.3.3.1间歇式光催化反应器lVi童话村网站目录

目前最常见的光催化反应器是间歇式反应器。图5-8显示了一个典型的间歇式反应器示意图[47]。在这种反应器装置中,反应浆料悬浊液置于反应罐(由不锈钢、 Pyrex耐热玻璃、石英等材料构成),利用磁力搅拌器充分搅拌浆料,阻止催化剂颗粒沉积。反应器周围有冷却水冷却,从而将反应过程保持在一定温度。反应器顶部有石英窗口,用于光源照射[47]。除了上述曲型的间歇式光反应器外完整的光催化分解水系统还需整合以下部件:光源、抽空系统、样品/产品收集装置和气体检测仪器。lVi童话村网站目录

不同的研究人员所使用的间歇式光催化分解水装置也有显著的差别,主要是所使用的抽空装置,取样装置和检测系统不同。例如,chen等选用侧面入光的耐热玻璃反应器进行制氢,以氙灯为光源,照射光范围为波长大于400m的可见光。Mkhe等则是用的石英反应器,选用配备AM1.5过滤片的太阳光模拟器为光源。在光解水制氢反应开始前,二者都是用氩气来去除溶液中的溶解氧,但产氢量的测试方法有明显的区别。Chen等利用GC测量氢气的含量,而Muukherji等是用四极杆质谱仪测量产氢量。间歇式光催化分解水装置的差异,也造成光催化分解水性能的评价标准很难统。lVi童话村网站目录

5.3.3.2非间歇式光催化反应器lVi童话村网站目录

尽管间歇式光催化反应器具有简单、易操作等优点,它在应用角度还有很多限制。比如,在间歇式光催化反应器中进行光催化反应过程需要使用磁力搅拌器进行不间断地搅拌,以防止粉体光催化剂发生沉积,造成催化剂受光不均匀,引起光催化活性降低的现象。但在大规模工业化生产制氢时,出于成本考虑,很难利用磁力搅拌对反应液进行搅拌。对于大规模生产制氢来说,需要开发比磁力搅拌更为合适的对光催化剂均匀照射的方法。 Huang等建议两种方案实现粉体和液体的均匀混合方式:③把催化剂涂抹到大比表面积的三维结构材料上,填充到反应器中;②在反应器的进口和出口部位形成湍流,防止催化剂粉体的沉积。一般来说,除了光催化剂自身光催化性能之外,光催化分解水系统总的光解水速率还受光催化反应器的光吸收,催化剂表面水分解的逆反应以及催化剂表面氢气的脱离等因素的影响[52]。基于这些因素考虑,部分新型光催化分解水设备逐渐被开发出来。宾馆用的大型水素机和吸氢机就用该用非间歇式光催化反应器来完成。lVi童话村网站目录

通常,对于涉及两个半导体的Z形光催化水分解材料体系,制氢和制氧光催化剂是在单个反应器中混合以实现水的分解,产生的氢气和氧气很容易发生氢氧结合的反应,造成水分解反应的实际效率很低。Lo等[53]开发出一种双反应器,实现水分解制氢和制氧反应分离,以阻止氢氧结合的逆反应的发生。如图59所示,在此类双反应器系统中,将制氢光催化剂和制氧光催化剂放置在双反应器的不同隔室中,隔室之间通过 Nafion膜连接,阻止氢气与氧气的混合。当使用Fe2+/Fe3+为氧化还原对时,厚度为178 um Nafion膜可以保证Fe2+和Fe3+的渗透。使用前,渗透膜需要利用不同的酸和碱进行清洁,生成的H2和O2通过交替切换阀在线交替釆样收集。为了避免气体交叉污染,在抽样过程中,气体管线需事先抽空并用氩气吹扫。lVi童话村网站目录

图5-9光解水双反应器[53]lVi童话村网站目录

为了扩大水分解光反应器的实用性,在间歇式反应器的基础上设计出分批式循环反应器。分批循环反应器中一般包括反应器、储液罐和循环泵。图5-10为 Huang等设计的个典型的分批式循环反应器的示意图[47]。如图所示,系统中包含一个循环泵用来使反应液在反应器与储液罐中流动。光反应容器由不锈钢制成,加工成锥形内部,斜坡10°~15°。反应混合液从边缘进入光反应器并在底部的中心离开(图5-10)。该配置提供了一种实现反应液被动混合的方法,允许粉体催化剂在水中的高度混合,阻止颗粒沉积和流体死区的形成。lVi童话村网站目录

图5-10光解水分批式循环反应器[47]lVi童话村网站目录

为了解决光催化剂颗粒表面产生的氢气和氧气气泡脱离的问题,人们开发出连续环形光反应器[56,57]。如图5-11所示,连续环形光反应器由一个光源处于中心位置的环形反应器所构成。将反应器放置在填充有氮气的封闭壳体中以将反应器与外部的空气分离。将A气连续鼓泡通过反应混合液,驱使反应液处于良好的混合状态。产生的氢气,部分被引入气阀,随后通过GC分析测试含量和纯度。这种设计极大地增加了液气界面面积,从而促进光催化剂表面产生的气泡的脱离。该反应器的缺点是由于光源处于环形反应器中心,反应器中光子分布不均匀,反应内部比外部周边可接受更多的光子。lVi童话村网站目录

5.3.3.3规模化应用型光解水反应器lVi童话村网站目录

即使光催化分解水已经研究了几十年,但仍主要局限于实验室规模的研究。利用室外太阳光进行直接光照产氢的应用实例较少。Jing等试图使用复合抛物面聚光器(CPC)进行光解水产氢。图5-12为复合抛物面聚光器(CPC)的一个轮廓示意图。图5-13为Jing等利用CPC设计的光解水制氢反应器。他们把CPC与一个内循环光反应器耦合,以获得更高的太阳能强度。CPC设计被认为可以使太阳光照射到整个反应器,而不仅仅是反应器的"前端”。为了从阳光中捕获最大光子,CPC的孔径尽可能地垂直于入射光。仔细调节浆料的流动,以确保反应液处于充分湍流状态,从而避免光催化剂的沉降和积聚,并保证光催化剂颗粒得到良好的分散。lVi童话村网站目录

混合反应液中催化剂颗粒的分布是决定反应器光吸收的重要因素。测试结果表明,催化剂颗粒在混合反应液中的分布,依赖于反应液压力梯度,催化剂浓度,反应液流动速度等条件。Jng等在室外太阳光照射下得到的最大产氢速率为1.88L/h,能量转换效率为0.47%。尽管活性较低,Jng等的实验表明此类CPC组合型光催化分解水反应器具有澘在的大规模实际应用可行性。lVi童话村网站目录

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