一种适用于原位红外、拉曼和原子发射光谱表征的多功能等离子体催化反应池

本发明公开涉及介质阻挡放电等离子体反应器，尤其涉及一种适用于原位红外、拉曼和原子发射光谱表征的多功能等离子体催化反应池。

背景技术：

1、等离子体催化是非热等离子体和多相催化的结合，被认为是一种有前途的新兴技术，用于常压和低温等温和条件下的净化和能量转换(包括合成燃料和化学品)。在非热等离子体中，反应气体被激活，产生高能电子(1-10ev)和一系列活性物质(自由基、受激原子、离子和分子)，非热等离子体能够在温和的反应条件下直接断裂大多数化学键，克服常规热催化所需的高温和/或高压的缺点，这些活性物种可以直接在气相中发生反应，如气相自由基反应，很难高选择地生成目标产物，因此往往需要加入适宜的催化剂调控反应路径，提升目标产物的选择性。其中，小分子催化转化介质阻挡放电(dbd)等离子体反应是当前研究的重点，包括氮氧化物消除、co2转化为增值化学品和燃料、ch4活化为氢气、高级碳氢化合物或含氧化合物以及nh3合成等反应(acs energy lett.2022,7,300-309)。

2、虽然大量的文献表明，催化剂的填充能提高等离子体场中小分子气体的反应活性，由于等离子体与催化剂协同的复杂性，如不同介电常数的催化剂填充对等离子体放电参数产生影响、等离子体场中催化剂的微观结构可能发生动态变化、气相中活性物种的吸附扩散速率对反应路径的影响等等，使目前的协同反应机理仍然不够清晰，需要有效的表征手段，尤其是等离子体反应条件下的多种原位表征，在线观测催化剂表面的反应物吸附、中间物种的生成和转化、生成物脱附、活性位动态结构变化等过程，系统的分析真实等离子体催化的反应机理(acs energy lett.2022,7,300-309)。

3、现有技术中的等离子体原位表征中常用的有等离子体原位红外光谱(catal.sci.technol.,2020,10,1458；cn 116577299 a；cn 109187410 a；cn 114199774a；cn 114199774a；cn 116297214 a；)和原子发射光谱(nat.catal.，2019，2,142-148)，也有少量的等离子体原位拉曼光谱(cn 215415030 u)。当前应用于上述原位等离子体反应池的结构存在差异，不能在同一个原位反应池上进行原位表征。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明公开提供了一种适用于原位红外、拉曼和原子发射光谱表征的多功能等离子体催化反应池，以实现更精准的揭示协同催化机理。

2、本发明提供的技术方案，具体为，一种适用于原位红外、拉曼和原子发射光谱表征的多功能等离子体催化反应池，包括：上壳盖、等离子体反应池基底、介质阻挡放电部件、气体通道部件、石英玻璃管的放电区域；所述上壳盖与等离子体反应池基底形成封闭的空间，所述上壳盖为半球型壳盖或平面型壳盖；

3、所述半球型壳盖开设有观察窗口、红外光入射窗口和红外光出射窗口，其中观察窗口位于中间，红外光入射窗口和红外光出射窗口分布在其两侧；

4、所述半平面型壳盖的中心设有圆形窗口；

5、所述介质阻挡放电部件设置在等离子体反应池基底中心，所述介质阻挡放电部件包括高压电极、石英玻璃管、接地电极铜环、以及铜棒；

6、所述高压电极位于石英玻璃管的同轴中心；

7、所述铜环紧密套在阻挡介质石英玻璃管外部，铜环的安装高度不超过阻挡介质石英玻璃管的上端；

8、所述铜棒本体上设有螺纹结构，所述铜棒横向设置，通过其螺纹结构穿插在等离子体反应池基底中，其尖端与铜环接触，其尾端与接地线连接；

9、所述气体通道部件包括进气口及进气通道、出气口及出气通道；

10、所述石英玻璃管的放电区域内设有石英棉和催化剂；

11、进一步地，所述高压电极通过底托和密封卡套固定在阻挡介质石英玻璃管的同轴中心；

12、所述底托设有四个竖直孔道，所述四个竖直孔道分别与等离子体放电区域和出气管道联通；

13、进一步地，所述上壳盖与等离子体反应池基底通过螺丝、压片和密封垫圈形成封闭的空间。

14、进一步地，所述观察窗口的材料为石英，红外光入射窗口和红外光出射窗口材料为氟化钡或硒化锌；

15、所述圆形窗口的玻璃为蓝宝石或石英，所述蓝宝石应用于原位拉曼光谱，所述石英玻璃应用于原位原子发射光谱。

16、进一步地，所述高压电极采用金属棒，通过金属帽填充在所述催化剂的床层空间以调控放电间隙的大小。

17、进一步地，所述石英玻璃管的壁厚不同，对应放电间隙的大小、催化剂床层的宽度不同。

18、进一步地，所述上壳盖、等离子体反应池基底、介质阻挡放电部件、气体通道部件中配件的接口处均设有密封垫圈。

19、本发明提供的一种等离子体催化反应池可以同时满足原位红外漫反射光谱、原位拉曼光谱和原位原子发射光谱的表征，避免了不同的反应器之间的等离子体放电参数的不同对催化反应的影响，可更精准的揭示协同催化机理。

20、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。

技术特征：

1.一种适用于原位红外、拉曼和原子发射光谱表征的多功能等离子体催化反应池，其特征在于，包括：上壳盖、等离子体反应池基底(3)、介质阻挡放电部件、气体通道部件、石英玻璃管的放电区域(19)；所述上壳盖与等离子体反应池基底(3)形成封闭的空间，所述上壳盖为半球型壳盖(1)或平面型壳盖(2)；

2.根据权利要求1所述的一种适用于原位红外、拉曼和原子发射光谱表征的多功能等离子体催化反应池，其特征在于，所述高压电极(11)通过底托(17)和密封卡套(18)固定在阻挡介质石英玻璃管(12)的同轴中心；

3.根据权利要求1所述的一种适用于原位红外、拉曼和原子发射光谱表征的多功能等离子体催化反应池，其特征在于，所述上壳盖与等离子体反应池基底(3)通过螺丝(4)、压片(5)和密封垫圈(6)形成封闭的空间。

4.根据权利要求1所述的一种适用于原位红外、拉曼和原子发射光谱表征的多功能等离子体催化反应池，其特征在于，所述观察窗口(7)的材料为石英，红外光入射窗口(8)和红外光出射窗口(9)材料为氟化钡或硒化锌；

5.根据权利要求1所述的一种适用于原位红外、拉曼和原子发射光谱表征的多功能等离子体催化反应池，其特征在于，所述高压电极(11)采用金属棒，通过金属帽填充在所述催化剂的床层空间以调控放电间隙的大小。

6.根据权利要求1所述的一种适用于原位红外、拉曼和原子发射光谱表征的多功能等离子体催化反应池，其特征在于，所述石英玻璃管(12)的壁厚不同，对应放电间隙的大小、催化剂床层的宽度不同。

7.根据权利要求1所述的一种适用于原位红外、拉曼和原子发射光谱表征的多功能等离子体催化反应池，其特征在于，所述上壳盖、等离子体反应池基底(3)、介质阻挡放电部件、气体通道部件中配件的接口处均设有密封垫圈(6)。

技术总结
本发明公开了一种适用于原位红外、拉曼和原子发射光谱表征的多功能等离子体催化反应池，包括：上壳盖、等离子体反应池基底、介质阻挡放电部件、气体通道部件、石英玻璃管的放电区域；所述上壳盖与等离子体反应池基底形成封闭的空间，所述上壳盖为半球型壳盖或平面型壳盖；所述半球型壳盖开设有观察窗口、红外光入射窗口和红外光出射窗口，其中观察窗口位于中间，红外光入射窗口和红外光出射窗口分布在其两侧；所述半平面型壳盖的中心设有圆形窗口；本发明提供的一种等离子体催化反应池可以同时满足原位红外漫反射光谱、原位拉曼光谱和原位原子发射光谱的表征，避免了不同的反应器之间的等离子体放电参数的不同对催化反应的影响，可更精准的揭示协同催化机理。

技术研发人员：赵震,解则安,李东,张飞扬,王方亮,蔡圣煊,肖霞,范晓强,孔莲,宋佳欣
受保护的技术使用者：沈阳师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29