一种多孔结构钛酸锶制氢反应器及其制备方法

本发明涉及制氢装置与材料制备领域，具体而言，涉及一种多孔结构钛酸锶制氢反应器及其制备方法。

背景技术：

1、传统化石能源如：煤炭、石油、天然气灯在开采和使用过程中会产生温室气体以及破坏环境。清洁能源如风能、水能以及光能等获取对环境受限大，造成稳定性差并且转换效率低的问题。传统的制氢领域领域，光催化制氢技术受限于催化剂光腐蚀、光源吸收范围，光吸收能力，反应效率和速率等问题。现有技术由于缺乏高效的制氢设备，未能更好地广泛应用；氢能作为二次能源，需要通过其他能源的转换制备，现阶段绝大多数给光催化材料需要在紫外光源照射下才能进行光催化反应，而当前制氢装置缺乏有效光源装置和催化剂结构，两者耦合效率比较低。因此，目前光催化制氢反应器的研究点有两个：高利用率的光源装置和高效率的光催化剂结构。

2、在一定范围之内，光催化剂分解水制氢的性能随光强的增大而增大；在光催化制氢反应器中常见光源有汞灯、金属卤素灯、氙灯和led光源。led光源为冷光源，发热量低，体积小，适用于光催化领域。如中国发明专利公布号cn 102285638 a的专利，公开了“一种可见光催化制氢反应器”，该发明光源采用led阵列光源，其能耗低，散热性好，led光源作为反应器光源提高了反应器光穿透深度不足的问题，但是led是朗伯体光源，光源发射角度较大，导致中心光强大，四周光强小，不利于光催化反应器整体性能的提高。

3、光催化剂作为反应器的核心载体，其在反应器内存在结构对整体制氢效率性能影响很大。常用光催化反应器类型有薄膜反应器，悬浮式反应器，固化床反应器；薄膜类反应器反应表面积较小，反应表面局限在二维平面，薄膜类光催化剂载体机械强度不高，使用过程中也容易有脱落。悬浮式反应器的催化剂为粉末悬浮态，使用后需要回收和重复利用，使用操作复杂和成本高。固化床反应器大多采用石英砂、玻璃球表面涂覆光催化剂，整体上提高了反应速率，但是其体积占比太大，造成反应器体积大，整体上不利于光催化反应器的能耗降低。再如中国发明专利公布号cn 114307861 a公开了“使用了光催化剂的氢气制造装置”，该发明将反应器小型化，缩短了光传播距离，提高了光强的利用率。但是其反应器光催化剂结构仍为板状，整体上并没有提高光源和光催化剂最佳耦合，仍存在光源浪费的情况。

技术实现思路

1、基于此，为了解决光催化反应器体积过大，反应器内部光源传递性能差，穿透性不足，导致反应器内光催化剂对光源吸收率低的问题的问题，本发明提供了一种多孔结构钛酸锶制氢反应器及其制备方法，具体技术方案如下：

2、一种多孔结构钛酸锶制氢反应器，所述多孔结构钛酸锶制氢反应器包括反应腔体且所述反应腔体内设置有反应腔室；

3、包括微通道多孔支架以及若干个光源模组，且所述微通道多孔支架以及若干个光源模组设置于所述反应腔室内，且所述若干个光源模组对称设置于所述微通道多孔支架的两侧并与所述反应腔室内壁连接；

4、包括反射涂层以及钛酸锶涂层，所述反射涂层涂覆于所述反应腔室的内壁上；所述钛酸锶涂层涂覆于所述微通道多孔支架的表面；

5、包括进水口以及出气口，所述进水口设置于所述反应腔体上，并与所述反应腔室连通；所述出气口设置于所述反应腔体上，并与所述反应腔室连通，且所述进水口以及所述出气口上均设置有安全阀。

6、进一步地，所述若干个光源模组包括光源灯珠、微透镜、散热片以及密封圈，且所述光源灯珠与所述散热片连接，所述微透镜与所述散热片连接并与罩于所述光源灯珠上；所述散热片与所述反应腔室的内壁连接，所述密封圈设置于所述散热片与所述反应腔室之间。

7、进一步地，所述光源灯珠能发出包含以下波长的光：uvc(200nm～275nm)、uvb(275nm～320nm)、uva(320nm～400nm)。

8、进一步地，所述微通道多孔支架的孔隙率为10％～90％，所述微通道多孔支架表面的钛酸锶涂层含量为70％～99％。

9、进一步地，所述多孔结构钛酸锶制氢反应器的反应介质为水。

10、另外，本申请还提供一种多孔结构钛酸锶制氢反应器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

11、s1:将光敏树脂peg600da、光引发剂itx以及陶瓷粉末搅拌均匀后得到初始陶瓷浆料，然后将初始浆料放入球磨机进行更精细的研磨无颗粒物后得到具有流动性的陶瓷浆液，整个流程均在暗房下进行；

12、s2:使用三维软件设计准备打印的微通道多孔支架模型，采用切片软件对设计好的模型进行切片处理，将切片好的软件导入3d打印机中，然后将制备好的陶瓷浆液放入3d打印机的料槽内，预设好打印曝光时间的参数后进行打印，获得反应腔体和微通道多孔支架；

13、s3：采用反射材料对反应腔室的内壁进行附着处理，使得所述反应腔室的内壁形成反射涂层；

14、s4:采用钛酸锶材料对微通道多孔支架进行附着处理，使得微通道多孔支架的表面形成钛酸锶涂层；

15、s5:将内壁具有反射涂层的反应腔体以及表面具有钛酸锶涂层的微通道多孔支架分别放入乙醇清洗液中进行超声波机清洗，清洗后放入干燥箱中，于烘干温度为50℃～60℃的条件下烘干处理100min～150min，烘干完成后再进行烧结，降温后，根据实际需求进行结构优化后，得到多孔结构钛酸锶制氢反应器。

16、进一步地，光引发剂itx占陶瓷浆料的总质量百分比为0.1％～0.5％。

17、进一步地，所述陶瓷粉末为氧化铝、氧化锆、氮化铝以及碳化硅中的一种或多种；所述陶瓷粉末占所述陶瓷浆料的质量百分比为50％～90％。

18、进一步地，s2步骤中，切片厚度为0.1mm～1mm，且打印的固化光源波段为365nm～405nm，单层固化时间为1s～10s。

19、进一步地，烧结的温度为400℃～2000℃，时间为24h～36h。

20、上述方案中通过优化多孔结构钛酸锶制氢反应器的结构，在微透镜对光源进行二次设计，能有效改变光源的出光角度，将光源进行合理分布，使单位面积钛酸锶表面光源具有合理分布；制氢反应器腔体内壁涂有反射材料，反应器内壁将光线反射回腔体内部，减少腔体对光线的吸收率。采用钛酸锶材料附着于微通道多孔支架的表面，材料存在形式为固体表面，使用过程中不用重复回收；其次多孔结构能够在空间三维层面提高体积利用率，进一步使腔体内部钛酸锶材料得到增加。整体上相比较金属、聚合物材料或无机硅酸盐类材料，具有更好的耐腐蚀性，绝缘性和化学稳定性；微通道反应器具有更小的体积，更优秀的物质传递，可控性好，即在腔体内部光线到达钛酸锶材料表面光强更高。另外，本申请采用陶瓷3d打印技术制备反应器，陶瓷3d打印技术除了有良好的耐高温，耐腐蚀的化学性能外，其能够设计自由度高，相对其他制造技术，能够制备更加复杂的结构。

技术特征：

1.一种多孔结构钛酸锶制氢反应器，其特征在于，所述多孔结构钛酸锶制氢反应器包括反应腔体且所述反应腔体内设置有反应腔室；

2.根据权利要求1所述的多孔结构钛酸锶制氢反应器，其特征在于，所述若干个光源模组包括光源灯珠、微透镜、散热片以及密封圈，且所述光源灯珠与所述散热片连接，所述微透镜与所述散热片连接并与罩于所述光源灯珠上；所述散热片与所述反应腔室的内壁连接，所述密封圈设置于所述散热片与所述反应腔室之间。

3.根据权利要求2所述的多孔结构钛酸锶制氢反应器，其特征在于，所述光源灯珠能发出包含以下波长的光：uvc(200nm～275nm)、uvb(275nm～320nm)、uva(320nm～400nm)。

4.根据权利要求1所述的多孔结构钛酸锶制氢反应器，其特征在于，所述微通道多孔支架的孔隙率为10％～90％，所述微通道多孔支架表面的钛酸锶涂层含量为70％～99％。

5.根据权利要求1～4任一项所述的多孔结构钛酸锶制氢反应器，其特征在于，所述多孔结构钛酸锶制氢反应器的反应介质为水。

6.一种多孔结构钛酸锶制氢反应器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，光引发剂itx占陶瓷浆料的总质量百分比为0.1％～0.5％。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷粉末为氧化铝、氧化锆、氮化铝以及碳化硅中的一种或多种；所述陶瓷粉末占所述陶瓷浆料的质量百分比为50％～90％。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，s2步骤中，切片厚度为0.1mm～1mm，且打印的固化光源波段为365nm～405nm，单层固化时间为1s～10s。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，烧结的温度为400℃～2000℃，时间为24h～36h。

技术总结
本发明公开了一种多孔结构钛酸锶制氢反应器及其制备方法，本发明通过优化多孔结构钛酸锶制氢反应器的结构，在微透镜对光源进行二次设计，能有效改变光源的出光角度，增加光源的利用率；制氢反应器腔体内壁涂有反射材料，反应器内壁将光线反射回腔体内部，减少腔体对光线的吸收率。采用钛酸锶材料附着于微通道多孔支架的表面，材料存在形式为固体表面，也能够在空间三维层面提高体积利用率，表面光强更高。另外，本申请采用陶瓷3D打印技术制备反应器，陶瓷3D打印技术除了有良好的耐高温，耐腐蚀的化学性能外，其能够设计自由度高，相对其他制造技术，能够制备更加复杂的结构。

技术研发人员：孙观朗,谢嘉宁,范冰丰,洪泽楷
受保护的技术使用者：佛山科学技术学院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17