專利名稱：光催化反應(yīng)微分式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于催化化學(xué)反應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，特別涉及一種光催化反應(yīng)微分式自動(dòng)測(cè)
試系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體光催化反應(yīng)的基本作用原理是半導(dǎo)體光催化劑受到太陽光照射時(shí)(主要 是可見光與紫外光)，其內(nèi)部的電子受激發(fā)從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，生成自由電子和空穴。當(dāng)電 子、空穴遷移到半導(dǎo)體表面時(shí)，與其吸附的物質(zhì)發(fā)生相互作用；對(duì)水溶液而言，可以反應(yīng)生 成氫氣或氧氣或者兼而有之。光催化反應(yīng)速度受到催化劑、反應(yīng)液、反應(yīng)器以及光源(光譜 及輻照度等)、反應(yīng)溫度及壓力等眾多因素影響，積極控制其中的一些條件，反映催化劑及 系統(tǒng)的本征特性，對(duì)光催化反應(yīng)的研究十分重要。 要實(shí)現(xiàn)對(duì)光催化反應(yīng)的測(cè)試，必須具備三個(gè)基本條件，即可以測(cè)量和控制的光源、 反應(yīng)器，及對(duì)反應(yīng)的有效檢測(cè)手段。 光源選用紫外及可見區(qū)段與太陽光譜相近的氙燈點(diǎn)光源作為模擬光源，而后選 擇不同的濾光片可實(shí)現(xiàn)不同波段的光催化分解水反應(yīng)測(cè)試。目前國內(nèi)外的研究基本選用平 行光光源，沒有考慮光的入射方式對(duì)光催化反應(yīng)的影響。我們分析表明，點(diǎn)光源，減弱了邊 緣透射及散射，更有利于催化劑對(duì)有效光能的充分利用，因此選用氙燈點(diǎn)光源。
反應(yīng)器通常采用派熱克斯(PYREX)玻璃制備光窗口 ；使用標(biāo)準(zhǔn)磨口設(shè)計(jì)便于更 換其它形狀的反應(yīng)器；使用近于球形的反應(yīng)器，方便測(cè)量和模擬系統(tǒng)的光輻射分布；含有 的循環(huán)水夾套可控制反應(yīng)溫度；采用微分式測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，不積累氣體產(chǎn)物，可維持反應(yīng)壓力 穩(wěn)定，和積分式系統(tǒng)相比不受反應(yīng)產(chǎn)物壓力的限制，使反應(yīng)時(shí)間極長(zhǎng)。 對(duì)反應(yīng)的有效檢測(cè)體現(xiàn)在對(duì)反應(yīng)過程和反應(yīng)結(jié)果中各種反應(yīng)物、產(chǎn)物及其變化 進(jìn)行測(cè)試分析。對(duì)光催化反應(yīng)而言，反應(yīng)中大都有氣體參加或產(chǎn)生，因此一般可選用氣相色 譜來檢測(cè)氣體種類、成分及濃度的變化，以反映催化劑的活性、穩(wěn)定性等。通常氣相色譜需 要經(jīng)過進(jìn)樣、色譜柱分離、檢測(cè)等步驟，因此分析一個(gè)氣樣往往需要不少時(shí)間，能夠?qū)崿F(xiàn)定 時(shí)自動(dòng)測(cè)試(間隔時(shí)間足夠)，難于實(shí)現(xiàn)時(shí)時(shí)測(cè)試，使用連續(xù)的分析儀則便于反應(yīng)關(guān)鍵產(chǎn)物 的時(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)。同時(shí)采用氣相色譜，也可以檢測(cè)氣樣其它成分。 光催化反應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)中，通常以積累的氣體產(chǎn)物濃度變化來反映系統(tǒng)特性，為積 分式的測(cè)試方法，對(duì)反應(yīng)速度的變化不敏感，而且結(jié)果分析中往往使用光催化反應(yīng)速度，因 此采用微分式的直接測(cè)量光催化反應(yīng)速度方法值得考慮。 目前，在光催化反應(yīng)過程中，對(duì)反應(yīng)壓力控制普遍存在欠缺，通常都采用的積分式 測(cè)量方法；經(jīng)檢索、查詢各種專利、文獻(xiàn)表明，目前還沒有對(duì)反應(yīng)進(jìn)行微分自動(dòng)測(cè)試的報(bào)道， 國內(nèi)外也沒關(guān)于類似裝置的報(bào)道。 就整個(gè)光催化反應(yīng)微分式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研制而言，還須考慮對(duì)各部件設(shè)計(jì)適宜 的連接方式以形成合適的氣路系統(tǒng)；須考慮選擇合適的載氣及輸送泵以實(shí)現(xiàn)氣體的輸送和 均勻化；須考慮設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂茰囟鹊姆椒?。同時(shí)還必須考慮系統(tǒng)各部件的相互關(guān)聯(lián)和系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的完整一致性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種光催化微分式自動(dòng)測(cè)試系
統(tǒng)。利用該系統(tǒng)能在可控溫度、穩(wěn)定壓力、任意長(zhǎng)時(shí)間下準(zhǔn)確自動(dòng)檢測(cè)光催化反應(yīng)的進(jìn)程， 并直接獲得光催化反應(yīng)產(chǎn)氣的速率，便于快速對(duì)催化劑的催化性能進(jìn)行評(píng)估，并進(jìn)行有關(guān) 的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方面的研究。 —種光催化反應(yīng)微分式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括磁力攪拌器1、光催化反應(yīng)器 2、點(diǎn)光源3、拆分氣路管4、球形玻璃接冷凝管5、循環(huán)泵6和連續(xù)分析儀7 ;所述磁力攪拌器 1位于光催化反應(yīng)器2的下部；所述點(diǎn)光源3設(shè)置于光催化反應(yīng)器2右方；所述球形玻璃接 冷凝管5設(shè)置在光催化反應(yīng)器2上方，球形玻璃接冷凝管5下端與拆分氣路管4上磨口連 接，拆分氣路管4下磨口與光催化反應(yīng)器2連通；所述拆分氣路管4左支管連接有第一三通 閥8-1中端，拆分氣路管4右支管通過管線接循環(huán)泵6連接連續(xù)分析儀7入口 ，第一三通閥 8-1右端與連續(xù)分析儀7入口連接，拆分氣路管左支管、第一三通閥8-1和連續(xù)分析儀7入 口組成閉合環(huán)路；所述第一三通閥8-1左端通過氣體質(zhì)量流量計(jì)9與高壓氣體瓶10連接； 所述球形玻璃接冷凝管5上端連接有第二三通閥8-2上端連接，第二三通閥8-2下端依次 通過穩(wěn)流閥12和真空泵13與氣相色譜14連接，第二三通閥8-2中端連接有數(shù)字壓力表 11 ;所述數(shù)字壓力表11和氣體質(zhì)量流量計(jì)9通過數(shù)據(jù)采集板15與計(jì)算機(jī)16連接；所述氣 相色譜14與計(jì)算機(jī)16連接。 所述的光催化反應(yīng)器2由柱形控溫夾套18和反應(yīng)容器17構(gòu)成；所述柱形控溫夾 套18側(cè)面設(shè)置有透光孔19，上方設(shè)置有進(jìn)水口 20，下方設(shè)置有出水口 21 ;所述反應(yīng)容器17 置于柱形控溫夾套18內(nèi)部，反應(yīng)容器17為球形腔體，反應(yīng)容器17頂部是磨口、底部是平 底，反應(yīng)容器17側(cè)壁正對(duì)透光孔19位置設(shè)置有光窗；所述柱形控溫夾套18附有屏蔽吸收 膜。 所述的氣相色譜14的檢測(cè)器為TCD檢測(cè)器，并且氣相色譜14含有時(shí)間控制器和 自動(dòng)六通閥。所述穩(wěn)流閥12和接真空泵13組成控壓系統(tǒng)；所述控壓系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)16及 數(shù)據(jù)采集板15控制氣體質(zhì)量流量計(jì)9及穩(wěn)流閥12中的氣體流量來控制和穩(wěn)定壓力。
本發(fā)明的系統(tǒng)包括由磁力攪拌器，磁力攪拌器位于光催化反應(yīng)器的下部，光催化 反應(yīng)器的右側(cè)方為水平照射的氙燈點(diǎn)光源，光催化反應(yīng)器上連有氣路支管及冷凝管的用于 氣路拆分；而前者與氣體泵及連續(xù)分析儀等形成氣體內(nèi)環(huán)路，后者出口則為外排路，是開放 體系，可直接排出，也可接氣相色譜、或控壓系統(tǒng)等。 所述的光催化反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置反應(yīng)容器，似平底燒瓶而具有一側(cè)面光窗，其上接一 玻璃磨口 ；外接控溫夾套，控溫夾套通過軟管連接冷凝管、及恒溫循環(huán)泵后，組成控溫水路。
所述的氙燈點(diǎn)光源色溫為5800士300K。
所述的連續(xù)分析儀主要針對(duì)氫氣的檢測(cè)。 所述的氣體外排路開放體系，針對(duì)不同要求而實(shí)施，檢測(cè)可能存在其它氣體時(shí)，可 連接氣相色譜；控制大氣壓以外的反應(yīng)壓力時(shí)，連接控制壓力系統(tǒng)；或者兩者均連接。若只 在常壓下檢測(cè)氫氣，則不須連接其它裝置。
本發(fā)明具有以下特點(diǎn)
1、反應(yīng)裝置連接簡(jiǎn)潔，方便快捷，同時(shí)冷卻夾套外有屏蔽吸收膜，避免了雜散光對(duì) 反應(yīng)測(cè)試的影響。 2、運(yùn)用設(shè)計(jì)的氣路系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)單明了，且加入內(nèi)環(huán)路使氣體更容易均勻分布。
3、通過微分式測(cè)試方法，使反應(yīng)不受系統(tǒng)產(chǎn)物壓力變化的限制，達(dá)到無限時(shí)間測(cè) 試的可能。 4、選擇合適恒溫循環(huán)泵，可達(dá)到溫度的精確控制；并且反應(yīng)體系和氣體部分可分 開控溫，便于實(shí)現(xiàn)不同反應(yīng)溫度下的自動(dòng)測(cè)試。
5、通過連續(xù)分析儀，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在線時(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)；結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)，可通過軟件的
操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確處理，直接獲得光催化反應(yīng)速率的數(shù)據(jù)。 本發(fā)明的局限性在于要通過數(shù)據(jù)處理才能獲得通常的積分式測(cè)試數(shù)據(jù)，但這對(duì)于
通過色譜檢測(cè)氫氣的濃度并不會(huì)有影響。 利用光催化反應(yīng)微分自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行光催化分解水產(chǎn)氫測(cè)試，能準(zhǔn)確、時(shí)時(shí)檢 測(cè)出光催化分解水產(chǎn)系統(tǒng)載氣中氫的濃度，并可直接獲得產(chǎn)氫速率。


圖1是本發(fā)明光催化反應(yīng)微分式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明光催化反應(yīng)器示意圖； 圖3是本發(fā)明光催化反應(yīng)微分式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)使用操作流程圖；
圖4是本發(fā)明用于催化劑控溫控壓下的測(cè)試結(jié)果具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 如圖l所示，光催化反應(yīng)微分式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)該系統(tǒng)中磁力攪拌器l位于光催化 反應(yīng)器2的下部，其右側(cè)為氙燈點(diǎn)光源3(光路水平側(cè)對(duì)光催化反應(yīng)器2，由左而右至受光 面)，其上接磨口 ，用于連接拆分氣路管4。拆分氣路管4具有四口 ，上下為磨口 ，左右為支 管；上磨口接冷凝管5 ;左支管接三通閥8-l，右支管為循環(huán)氣體出口，通過管線接循環(huán)泵6 及連續(xù)分析儀7入口，而后再接入三通閥8-l，形成閉合環(huán)路；三通閥8-1另一端為載氣入 口，接氣體質(zhì)量流量計(jì)9后再連接高壓氣體瓶10。 冷凝管5上為外氣路，接另一三通閥8-2，其一端接數(shù)字壓力表11，另一出口接控
壓系統(tǒng)或氣相色譜14。控壓系統(tǒng)由穩(wěn)流閥12，接真空泵13組成，通過計(jì)算機(jī)16及數(shù)據(jù)采
集板15控制氣體質(zhì)量流量計(jì)9及穩(wěn)流閥12中的氣體流量來控制和穩(wěn)定壓力。 氣相色譜14 :含主機(jī)、時(shí)間控制器、自動(dòng)六通閥、TCD檢測(cè)器等。 如圖2所示，為光催化反應(yīng)器2結(jié)構(gòu)示意圖，近似為具側(cè)壁的球形腔體，其中反應(yīng)
溶液及催化劑通過磨口加入反應(yīng)容器17中，要求磁子位于光催化反應(yīng)容器17中的平臺(tái)上；
反應(yīng)器外具附有屏蔽吸收膜的柱形控溫夾套18，側(cè)面開有透光孔19，與反應(yīng)容器17的光窗
相接?？販貖A套18上具進(jìn)出水口 20、21，與恒溫循環(huán)泵相接可控制反應(yīng)溫度。 其測(cè)量原理是當(dāng)光源3照射光催化反應(yīng)器2內(nèi)的溶液及光催化劑時(shí)，反應(yīng)發(fā)生并
產(chǎn)生氣體，通過氣體循環(huán)泵6泵送氣體進(jìn)入連續(xù)分析儀7中，檢測(cè)氣體中氫氣的濃度；外氣
路中可連接氣相色譜14用于復(fù)雜氣體組分檢測(cè)，可連接控壓系統(tǒng)用于穩(wěn)定壓力(負(fù)壓)下的反應(yīng)。 如圖3所示，為本發(fā)明光催化反應(yīng)微分式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)使用操作流程圖，具體分 為以下步驟準(zhǔn)備、測(cè)試、后處理等三個(gè)階段。在前期準(zhǔn)備中首先要預(yù)熱相關(guān)儀器設(shè)備，如 氙燈點(diǎn)光源3、連續(xù)分析儀7、氣相色譜14，數(shù)據(jù)采集板15及計(jì)算機(jī)16等，在儀器就緒之前， 準(zhǔn)備與光催化反應(yīng)相關(guān)的事務(wù)，如反應(yīng)溶液的配制、催化劑稱取、攪拌磁子的準(zhǔn)備等，將它 們加入光催化反應(yīng)器2中的反應(yīng)容器17內(nèi)，然后連接相應(yīng)裝置，開啟攪拌1 、恒溫循環(huán)泵、氣 體循環(huán)泵6、真空泵13，打開高壓氣瓶10、控制氣體質(zhì)量流量計(jì)9，調(diào)節(jié)穩(wěn)流閥12至適宜流 量，吹掃反應(yīng)及測(cè)試系統(tǒng)，可用氣相色譜14檢測(cè)氧氣，或直接吹掃15min進(jìn)入下一階段；測(cè) 試通過計(jì)算機(jī)16設(shè)定所需壓力，并通過氣體質(zhì)量流量計(jì)9測(cè)量及控制進(jìn)氣速度，來穩(wěn)定壓 力，然后設(shè)置連續(xù)分析儀7及氣相色譜14氣體分析及數(shù)據(jù)采集，待完成后，加載光源3，測(cè)試 開始并計(jì)時(shí)；若反應(yīng)完成，則進(jìn)入后處理階段關(guān)閉相關(guān)設(shè)備，清理光催化反應(yīng)器等，最后 分析處理數(shù)據(jù)。
具體應(yīng)用實(shí)施例 本發(fā)明的光催化反應(yīng)微分式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，按圖3所示流程圖操作即可。
例在一定溫度、壓力下考察催化劑性能 在反應(yīng)器R中，加入催化劑，Na2S03、 Na2S犧牲劑溶液，設(shè)置反應(yīng)體系及氣體控溫 25t:，反應(yīng)壓力50kPa，測(cè)試6小時(shí)，間隔10min采樣。 反應(yīng)測(cè)試結(jié)果如圖4所示，為其產(chǎn)氫微摩爾量-時(shí)間的關(guān)系曲線圖，a、b、c、d分別 表示催化反應(yīng)的不同階段，結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作，分析反應(yīng)速率變化 (1)、 a反應(yīng)起始階段，含連部分內(nèi)容，一是反應(yīng)器內(nèi)空余體積的填充，二是反應(yīng)活 化。 (2)、經(jīng)活化的催化反應(yīng)，在a-b間反應(yīng)速率快速提高，達(dá)到速率穩(wěn)定階段b，約 43 ii mol/h，理想目標(biāo)即為此階段，快速到達(dá)并能持之恒久； (3) 、 c最高反應(yīng)活性點(diǎn)，58 ii mol/h，整體來看，催化活性并不穩(wěn)定，而且經(jīng)過最高 點(diǎn)后，較快衰減； d反應(yīng)衰減區(qū)，從圖中可以看出該催化劑活性衰減較快。 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定
本發(fā)明的具體實(shí)施方式
僅限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫 離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所
提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
光催化反應(yīng)微分式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括磁力攪拌器(1)、光催化反應(yīng)器(2)、點(diǎn)光源(3)、拆分氣路管(4)、球形玻璃接冷凝管(5)、循環(huán)泵(6)和連續(xù)分析儀(7)；所述磁力攪拌器(1)位于光催化反應(yīng)器(2)的下部；所述點(diǎn)光源(3)設(shè)置于光催化反應(yīng)器(2)右方；所述球形玻璃接冷凝管(5)設(shè)置在光催化反應(yīng)器(2)上方，球形玻璃接冷凝管(5)下端與拆分氣路管(4)上磨口連接，拆分氣路管(4)下磨口與光催化反應(yīng)器(2)連通；所述拆分氣路管(4)左支管連接有第一三通閥(8-1)中端，拆分氣路管(4)右支管通過管線接循環(huán)泵(6)連接連續(xù)分析儀(7)入口，第一三通閥(8-1)右端與連續(xù)分析儀(7)入口連接，拆分氣路管左支管、第一三通閥(8-1)和連續(xù)分析儀(7)入口組成閉合環(huán)路；所述第一三通閥(8-1)左端通過氣體質(zhì)量流量計(jì)(9)與高壓氣體瓶(10)連接；所述球形玻璃接冷凝管(5)上端連接有第二三通閥(8-2)上端連接，第二三通閥(8-2)下端依次通過穩(wěn)流閥(12)和真空泵(13)與氣相色譜(14)連接，第二三通閥(8-2)中端連接有數(shù)字壓力表(11)；所述數(shù)字壓力表(11)和氣體質(zhì)量流量計(jì)(9)通過數(shù)據(jù)采集板(15)與計(jì)算機(jī)16連接；所述氣相色譜(14)與計(jì)算機(jī)16連接。
2. 如權(quán)利要求1所述光催化反應(yīng)微分式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于所述的光催化反 應(yīng)器(2)由柱形控溫夾套(18)和反應(yīng)容器(17)構(gòu)成；所述柱形控溫夾套(18)側(cè)面設(shè)置 有透光孔(19)，上方設(shè)置有進(jìn)水口 (20)，下方設(shè)置有出水口 (21);所述反應(yīng)容器(17)置于 柱形控溫夾套(18)內(nèi)部，反應(yīng)容器(17)為球形腔體，反應(yīng)容器(17)頂部是磨口、底部是平 底，反應(yīng)容器(17)側(cè)壁為光窗正對(duì)透光孔(19);所述柱形控溫夾套(18)附有屏蔽吸收膜。
3. 如權(quán)利要求1所述光催化反應(yīng)微分式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于所述的氣相色譜 (14)的檢測(cè)器為TCD檢測(cè)器，且氣相色譜(14)含有時(shí)間控制器和自動(dòng)六通閥。
4. 如權(quán)利要求l所述光催化反應(yīng)微分式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于所述穩(wěn)流閥(12) 和接真空泵(13)組成控壓系統(tǒng)；所述控壓系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)(16)及數(shù)據(jù)采集板(15)控制氣 體質(zhì)量流量計(jì)(9)及穩(wěn)流閥(12)中的氣體流量來控制和穩(wěn)定壓力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光催化反應(yīng)微分式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)由磁力攪拌器、反應(yīng)器、氙燈光源等構(gòu)成的反應(yīng)部分；一個(gè)由氣體循環(huán)泵、球形玻璃冷凝管、氣相色譜、反應(yīng)器及氣路管等構(gòu)成的循環(huán)部分；一個(gè)由氣體質(zhì)量流量計(jì)、穩(wěn)流閥、數(shù)字壓力表和真空泵等構(gòu)成的控壓部分；一個(gè)由恒溫循環(huán)泵、反應(yīng)器控溫夾套及球形玻璃冷凝管等組成的控溫部分；一個(gè)由連續(xù)分析儀、氣相色譜、數(shù)據(jù)采集板及計(jì)算機(jī)等構(gòu)成的測(cè)量控制部分。該系統(tǒng)用于光催化產(chǎn)氫測(cè)試，利用載氣將反應(yīng)器中的氣體產(chǎn)物帶出實(shí)現(xiàn)微分式測(cè)量，可設(shè)定反應(yīng)溫度及反應(yīng)壓力，并準(zhǔn)確、及時(shí)獲得光催化反應(yīng)的即時(shí)產(chǎn)氫速率，可用于其它有氣體參與或產(chǎn)生的光催化反應(yīng)測(cè)試。
文檔編號(hào)G01N30/28GK101769907SQ20091021950
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者劉歡, 郭烈錦 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)