基于单原子催化剂生成臭氧的方法和臭氧生成装置

本公开涉及臭氧制备，具体涉及一种基于单原子催化剂生成臭氧的方法和臭氧生成装置。

背景技术：

1、臭氧是氧的同素异形体，具有强氧化性，在常温下可以还原为氧气，无异味、无污染，因此臭氧在氧化、脱色、除味等方面都有显著效果。近年来，臭氧在饮用水杀菌消毒、食品、空气净化、化工生产、医学等领域有着越来越大的社会需求。

2、目前，常见的臭氧生成方法主要包括：化学法、电解法、紫外光法、冷等离子体法等。但是现有技术中臭氧的生成方法仍然存在许多问题，例如：大多数臭氧生成技术需要高电压(1kv)电场或紫外光能量输入，需要较高的能耗，导致运行成本增加。臭氧的生成需要消耗大量的氧气且效率较低，一般只有5％-10％的产生效率。此外，臭氧的生成量还受到多种因素的影响，如温度、湿度、氧气纯度等，因此也无法保证稳定的臭氧生成量。

3、综上所述，亟需提供一种可以提高臭氧生成速率和臭氧产量，同时使臭氧均匀生成、降低能耗的臭氧生成方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本公开提出了一种基于单原子催化剂生成臭氧的方法和臭氧生成装置，以期至少部分的解决上述技术问题。

2、在本公开的一方面，提出一种基于单原子催化剂生成臭氧的方法，包括：

3、将含氧气体与单原子催化剂表面的金属活性位点相接触，然后输送到反应室的紫外臭氧生成模块内；

4、经紫外光照射，在紫外臭氧生成模块内产生臭氧气体。

5、根据本公开的实施例，还包括：

6、对反应室进行控温，使反应室的温度维持在20-25℃，以及利用收集模块对产生的臭氧气体进行收集。

7、根据本公开的实施例，在收集模块内的臭氧浓度达到阈值的情况下，停止输送含氧气体，并在5-10min后停止紫外光照射，阈值为臭氧浓度目标值的10％。

8、根据本公开的实施例，含氧气体中氧气浓度高于90％。

9、根据本公开的实施例，单原子催化剂由载体和形成在载体上的金属催化材料组成，金属催化材料以单个原子形态存在，金属催化材料选自pt或cu，载体选自al2o3、sio2或tio2中任意一种；

10、载体的形状选自圆锥形。

11、根据本公开的实施例，单原子催化剂通入如下步骤形成：

12、通过浸渍法将金属催化剂材料分散到载体上。

13、根据本公开的实施例，通过控制输送含氧气体的速率，和/或控制紫外光照射的强度以控制臭氧生成的速度和浓度。

14、在本公开的另一方面，提出了一种基于单原子催化的臭氧生成装置，装置包括：

15、反应室，反应室的内部设置有供气模块、单原子催化剂模块和紫外臭氧生成模块，供气模块用于经由单原子催化剂模块向紫外臭氧生成模块提供含氧气体，单原子催化剂模块用于降低氧气分子分解的活化能，并提供活性位点，紫外臭氧生成模块用于产生臭氧。

16、根据本公开的实施例，装置还包括：

17、收集模块，设置在反应室的内部，与紫外臭氧生成模块相连接，用于收集紫外臭氧生成模块产生的臭氧气体；

18、冷却模块，设置在反应室的内部，用于控制反应室内的温度；

19、臭氧检测模块，设置在反应室的内部，用于检测紫外臭氧生成模块产生臭氧气体的浓度；

20、安全系统模块，设置在反应室外部，用于检测反应室外部的臭氧浓度和臭氧生成装置的安全；以及

21、控制模块，与供气模块、紫外臭氧生成模块相连接，用于控制供气模块中含氧气体的速率，和控制紫外臭氧生成模块的电源和紫外光源的强度。

22、根据本公开的实施例，紫外臭氧生成模块中紫外光源选自紫外发光二极管或紫外低压汞灯中任意一种；

23、安全系统模块选自安全开关、防爆设备、气体泄漏检测器、火灾报警器、紧急关闭组件中至少任意两种。

24、本公开提供的基于单原子催化剂生成臭氧的方法和臭氧生成装置的有益效果包括但不限于以下方面：

25、(1)本公开提出的一种基于单原子催化剂生成臭氧的方法，在生成臭氧过程中引入单原子催化剂，利用单原子表面的金属活性位点与氧气充分接触，降低氧气分解的活化能，使得氧气在较低能量的刺激下即可将氧气分解成氧原子并进行重组形成臭氧气体，提高了反应速率和选择性。另外，单原子催化剂中的单原子金属均匀分散在具有较高表面积和化学稳定性的载体上，实现了金属活性位点的均匀分布，确保了金属活性位点可以与氧气充分接触，有利于在紫外臭氧生成模块内实现更均匀的氧气解离和重组生成臭氧的反应，进而有助于获得更高品质的臭氧产品，适用于各种应用。此外，单原子催化剂上的金属活性位点具有较强的电子亲合力和化学反应活性，能够与反应物和中间体形成稳定的配位化合物，促进反应的进行。单原子催化剂还可使臭氧生成反应在较低的温度下发生，有助于降低能源消耗，并减少在较高温度下的相关操作风险，减少对环境的影响。

26、(2)在本公开提出的一种基于单原子催化剂生成臭氧的方法中，利用单原子催化剂表面的金属活性位点降低氧气分解的活化能，并协同紫外光照射激发氧气分子的分解，在共同作用下提高臭氧生成速率和臭氧产量。

技术特征：

1.一种基于单原子催化剂生成臭氧的方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述收集模块内的臭氧浓度达到阈值的情况下，停止输送所述含氧气体，并在5-10min后停止紫外光照射，所述阈值为臭氧浓度目标值的10％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氧气体中氧气浓度高于90％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单原子催化剂由载体和形成在所述载体上的金属催化材料组成，所述金属催化材料以单个原子形态存在，所述金属催化材料选自pt或cu，所述载体选自al2o3、sio2或tio2中任意一种；

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述单原子催化剂通入如下步骤形成：

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过控制输送所述含氧气体的速率，和/或控制所述紫外光照射的强度以控制臭氧生成的速度和浓度。

8.一种基于单原子催化的臭氧生成装置，用于执行权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述装置包括：

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括：

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述紫外臭氧生成模块中紫外光源选自紫外发光二极管或紫外低压汞灯中任意一种；

技术总结
本公开提出了一种基于单原子催化剂生成臭氧的方法和臭氧生成装置，其中臭氧生成方法包括：将含氧气体与单原子催化剂表面的金属活性位点相接触，然后输送到反应室的紫外臭氧生成模块内；经紫外光照射，在紫外臭氧生成模块内产生臭氧气体。

技术研发人员：吴宇恩,李鹏
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24