[发明专利]光电催化二氧化碳还原反应装置和应用

说明书

技术领域

本发明属于光照和电解反应技术领域，具体地说，涉及光电化学反应器技术领域，更加具体的说，涉及一种光电催化二氧化碳还原反应装置。

背景技术

近些年来，随着经济的飞速发展，资源能源的快速消耗，大气中以CO₂为主的温室气体的浓度持续增加，如何稳定控制大气中CO₂气体浓度迅速成为研究热点。在自然界中，植物的光合作用无处不在。从能量角度出发，绿色植物利用太阳光能将大气中的CO₂转化为糖类等有机物，同时将太阳能转换并存储为化学能，这对开发低能耗的CO₂转化和利用技术具有一定的启发。光催化反应是利用太阳能激发半导体光催化材料产生光生电子--空穴，以诱发氧化--还原反应，因此可以利用光生电子还原CO₂，同时利用光生空穴氧化H₂O，以合成碳氢燃料。然而CO₂被还原后会生成CH₄、HCOOH、CH₃OH等多样复杂的产物，并且产物的量很少，现有技术很难做到对其产物进行有效的分离以及准确可靠的检测。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一套气密性优异，体积较小，能够施加光照、偏压，以及气密性良好的光电催化二氧化碳还原反应装置，可用于分析半导体催化材料的光电催化CO₂还原反应性能。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

光电催化二氧化碳还原反应装置，包括：反应器主体、夹紧装置、旋盖和密封片，其中：

所述反应器主体由左半反应器主体和右半反应器主体组成，右半反应器主体的一侧侧壁设置光照窗口并在光照窗口外侧设置密封片，右半反应器主体的一侧侧壁设置有右半反应器连通通道，且右半反应器连通通道和光照窗口同轴设置在右半反应器主体的两侧；在左半反应器主体的侧壁上且与于右半反应器连通通道相等高度的位置上设置有左半反应器连通通道，左半反应器连通通道和右半反应器连通通道的直径相等，且左半反应器连通通道和右半反应器连通通道通过夹紧装置进行密闭对接密闭对接，在左半反应器连通通道和右半反应器连通通道的密闭对接处设置质子交换膜，左半反应器主体的顶端设置有左半反应器瓶口内螺纹，右半反应器主体的顶端设置有右半反应器瓶口内螺纹；

所述旋盖分为两个结构大体相同的左旋盖和右旋盖，两个旋盖的下部侧壁均设置有旋盖外螺纹，左旋盖和右旋盖分别通过螺纹配合与左半反应器主体和右半反应器主体密封连接，两个旋盖上部侧壁均设置有进气口和出气口，进气口用于插入气体导管，从而向反应器主体内电解液中鼓泡通入反应原料气体CO₂，出气口用于连接气体检测装置，每个旋盖上设置有一个贯通旋盖的液相取样孔，并在液相取样孔中设置拧紧螺栓，以通过拧紧螺栓实现密封；右旋盖顶端设置有第一电极柱和第二电极柱，左旋盖顶端设置有第三电极柱，且第一电极柱、第二电极柱和第三电极柱分别贯穿各自旋盖并与旋盖密封接触，三个电极柱与工作电极、对电极和参比电极连接，并为工作电极、对电极和参比电极连接提供偏压；

在右半反应器主体内设置工作电极和参比电极，工作电极与右旋盖的第二电极柱相连，参比电极与右旋盖的第一电极柱相连；在左半反应器主体内设置对电极，对电极与左旋盖的第三电极柱相连。

在上述技术方案中，所述质子交换膜为Nafion膜。

在上述技术方案中，所述密封片与光照窗口密封设置，且密封片选择透明材质，例如玻璃材质或者石英材质。

在上述技术方案中，所述第一电极柱和第二电极柱为铜电极柱。

在上述技术方案中，所述参比电极为Ag/AgCl参比电极。

在上述技术方案中，所述对电极为Pt对电极。

在上述技术方案中，所述密封片通过环氧树脂与右半反应器连通通道密封连接，外界光源透过光照窗处的密封片对半导体催化材料施加光照，以实现光催化反应。

在本发明的技术方案中，所述反应器主体材质为玻璃。

在本发明的技术方案中，所述旋盖材质为聚四氟乙烯。

在本发明的技术方案中，所述旋盖材质为聚四氟乙烯，旋盖上的液相取样口处的拧紧螺栓材质为聚醚醚酮(PEEK)。

本发明的技术方案能够同时提供外加电压和光照条件，利用密封片的良好透过性，适用于紫外、可见和近红外光的光电化学反应，结构简单，系统体积小巧，实施方便，同时可方便的与气体检测系统连接，便于快速准确进行气体定量分析检测。