[发明专利]一种基于燃料电池形式设计的光电催化合成氨反应器

说明书

本发明公开了一种基于燃料电池形式设计的光电催化合成氨反应器，包括依次相连接的光阴极石英流道板、光阴极催化剂板、光阴极质子交换池、质子交换膜夹板、阳极质子交换池、阳极板及后盖板，其中，光阴极催化剂板、光阴极质子交换池、质子交换膜夹板、阳极质子交换池及阳极板均为中空结构；光阴极石英流道板上正对光阴极催化剂板的侧面上设置有S型半圆截面流道，其中，光阴极石英流道板上设置有与S型半圆截面流道的端部相连通的光阴极石英流道板入口及光阴极石英流道板出口，该反应器的反应强化效果优异。

技术领域

本发明涉及一种光电催化合成氨反应器，具体涉及一种基于燃料电池形式设计的光电催化合成氨反应器。

背景技术

每年人类消耗的能源中约有2％用于制造氮基肥料，其中合成氨是这种工业原料的主要来源。目前，工业合成氨使用Haber-Bosch工艺，这是一种高能量输入的合成方式，需要高温(400-500℃)和高压(150-250atm)才能较为有效地将N₂转化为NH₃。为了减少NH₃合成的能量输入和温室气体排放，光催化合成氨得到了长足的发展。使用阳光和半导体光催化剂进行光催化合成NH₃是将N₂还原为NH₃(通常使用水作为还原剂)的一种更有前景的策略。

目前半导体光催化剂的发展已经趋于平稳，对于催化剂的利用则是另一个需要考虑的方面。合理的反应器设计形式可以增强光催化剂的工作能力。目前光电催化合成氨反应器的设计，主要聚焦在膜电极反应器由气相主体扩散至催化剂膜后发生反应以及通过鼓泡的装置来强化阴极池内的氮气传质，使其在催化剂层表面形成不均匀的气液固三相反应面。但其反应强化效果均不是特别理想，因此需要开发一种新型的光电催化合成氨反应器，在微观层面上强化反应的传质及反应步骤，达到光电催化合成氨的工业要求产率，合理将催化剂与反应器结合。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于燃料电池形式设计的光电催化合成氨反应器，该反应器的反应强化效果优异。

为达到上述目的，本发明所述的用于光电催化合成氨的高效光阴极反应器包括依次相连接的光阴极石英流道板、光阴极催化剂板、光阴极质子交换池、质子交换膜夹板、阳极质子交换池、阳极板及后盖板，其中，光阴极催化剂板、光阴极质子交换池、质子交换膜夹板、阳极质子交换池及阳极板均为中空结构；

光阴极石英流道板上正对光阴极催化剂板的侧面上设置有S型半圆截面流道，其中，光阴极石英流道板上设置有与S型半圆截面流道的端部相连通的光阴极石英流道板入口及光阴极石英流道板出口。

光阴极石英流道板、光阴极催化剂板、光阴极质子交换池、质子交换膜夹板、阳极质子交换池、阳极板及后盖板通过若干螺丝相连接。

光阴极石英流道板、光阴极催化剂板、光阴极质子交换池、质子交换膜夹板、阳极质子交换池、阳极板及后盖板之间均设置有橡胶密封垫。

光阴极催化剂板的中部设置有基底，其中，基底上设置有催化剂层。

基底的材质为FTO/ITO玻璃或碳布。

光阴极催化剂板及阳极板的端面上设置有电极夹片。

光阴极质子交换池及阳极质子交换池的端面上设置有进液接嘴及出液接嘴。

质子交换膜夹板夹入有质子交换膜。

阳极板为铂片。

本发明具有以下有益效果：