具有低温等离子体氮气活化组件的光电催化合成氨反应器

1.本发明涉及一种光电催化合成氨反应器，具体涉及一种具有低温等离子体氮气活化组件的光电催化合成氨反应器。


背景技术：

2.氨作为重要的化工原料，在化肥，能源，生物分子等方面都有重要地位。每年人类消耗的能源中约有2％用于制造氮基肥料，碳排放量约占全世界总碳排放量的1.6％。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和h2转化为nh3。为了更好实现nh3的可持续生产以及减少温室气体排放，光电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的一种更有前景的策略。
3.目前对于nrr反应，半导体光电催化剂的发展已经趋于平稳，但总体活性还未达到较高水平。主要原因为n≡n键活化困难和具备强化作用反应器的缺乏。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种具有低温等离子体氮气活化组件的光电催化合成氨反应器，该反应器能够解决n≡n键活化困难的问题。
5.为达到上述目的，本发明所述的具有低温等离子体氮气活化组件的光电催化合成氨反应器包括自上到下依次分布的阳极反应器腔室、质子交换膜夹板、阴极反应腔室及等离子体氮气活化组件。
6.所述阳极反应器腔室包括自上到下依次分布的上盖板、阳极集流板及阳极电解液流动池，阳极集流板上夹持有阳极，所述阳极为金属阳极催化剂。
7.阴极反应腔室包括自上到下依次分布的阴极电解液流动池、阴极集流板及筛孔板，阴极集流板上沉积有铜纳米线结构的泡沫铜作为阴极。
8.等离子体氮气活化组件包括自上到下依次分布的等离子体氮气活化腔室及底部盖板。
9.等离子体氮气活化腔室内部设置若干组相对分布的空心不锈钢管，空心不锈钢管上位于等离子体氮气活化腔室内的一端为放电尖端，等离子体氮气活化腔室的侧面开孔。
10.阳极集流板及阴极集流板的内框内均设置有催化剂，其中，催化剂的外端面与阳极集流板及阴极集流板相接触，阳极集流板及阴极集流板与外界电源相连接。
11.质子交换膜夹板内部分别有井字形质子交换膜固定梁，质子交换膜固定于所述井字形质子交换膜固定梁上。
12.阳极电解液流动池及阴极电解液流动池的侧面均分别设置进口及出口。
13.上盖板、阳极集流板、阳极电解液流动池、质子交换膜夹板、阴极电解液流动池、阴极集流板、筛孔板、等离子体氮气活化腔室及底部盖板之间通过螺丝相连接。
14.上盖板、阳极集流板、阳极电解液流动池、质子交换膜夹板、阴极电解液流动池、阴
极集流板、筛孔板、等离子体氮气活化腔室及底部盖板之间设置有硅橡胶垫片。
15.本发明具有以下有益效果：
16.本发明所述的具有低温等离子体氮气活化组件的光电催化合成氨反应器在具体操作时，在阴极反应腔室底部设置等离子体氮气活化组件，等离子体利用产生的高电压，电子从电场中得到能量，通过碰撞将能量转化为分子的内能和动能，获得能量的分子被激发，与此同时，部分分子被电离，该活化了的粒子相互碰撞，从而引起一系列复杂的物理化学反应，利用高能热电子轰击氮气与氧气的混合气体最终形成等离子体，等离子体将氮气与氧气活化为n
*
和o
*
，自由基相互碰撞形成no、no2和n2o等氮氧化物产物，实现固氮，等离子体氮气活化，具有能耗低、活性高、能源可持续，解决n≡n键活化困难的问题。
附图说明
17.图1为本发明的结构图；
18.图2为本发明的组装效果图；
19.图3为阳极电解液流动池3的结构图；
20.图4为等离子体氮气活化腔室8的结构图；
21.图5为筛孔板7的上视图；
22.图6为质子交换膜夹板4的上视图。
23.其中，1为上盖板、2为阳极集流板、3为阳极电解液流动池、4为质子交换膜夹板、5为阴极电解液流动池、6为阴极集流板、7为筛孔板、8为等离子体氮气活化腔室、9为底部盖板、10为进口、11为出口、12为空心不锈钢管、13为放电尖端。
具体实施方式
24.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
25.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
26.参考图1至图6，本发明所述具有低温等离子体氮气活化组件的光电催化合成氨反应器包括自上到下依次分布的阳极反应器腔室、质子交换膜夹板4、阴极反应腔室及等离子体氮气活化组件，其中，所述阳极反应器腔室包括自上到下依次分布的上盖板1、阳极集流板2及阳极电解液流动池3，阴极反应腔室包括自上到下依次分布的阴极电解液流动池5、阴极集流板6及筛孔板7，等离子体氮气活化组件包括自上到下依次分布的等离子体氮气活化腔室8及底部盖板9。
27.所述上盖板1使用具有高光透过率的石英玻璃材质制成，用于为阳极光电催化剂提供足够太阳光能量，用于光电反应。
28.所述等离子体氮气活化腔室8内部设置三组相对分布的用于产生尖端放电低温等离子体并活化氮气的空心不锈钢管12，空心不锈钢管12上位于等离子体氮气活化腔室8内的一端为放电尖端13，所述空心不锈钢管12内通入空气并在相对的放电尖端13进行氮气活化。活化后的气体在压力作用下向上穿过筛孔板7，进入阴极电解液流动池5到达催化剂表面，发生电催化还原反应，等离子体氮气活化腔室8的侧面开孔，用于等离子体氮气活化腔室8泄压及排水。
29.阳极集流板2及阴极集流板6使用金属钛或金属铜制成，催化剂位于阳极集流板2及阴极集流板6的内框内，且与阳极集流板2及阴极集流板6相接触，外界电源与阳极集流板2及阴极集流板6相连接。
30.质子交换膜夹板4内部分别有井字形质子交换膜固定梁，所述质子交换膜固定于所述井字形质子交换膜固定梁上，防止质子交换膜因受压而产生较大形变，井字形质子交换膜固定梁的材质为聚四氟乙烯材质，可在较高工作温度下不产生形变，质子交换膜采用nifion 117质子交换膜。
31.阳极电解液流动池3及阴极电解液流动池5的侧面分别设置进口10及出口11，其中，所述进口及出口均使用气动快插接口分别连接进管路及出管路，防止产生流动死区。
32.阳极集流板2上夹持的阳极为泡沫镍等金属阳极催化剂；阴极集流板6上沉积有铜纳米线结构的泡沫铜作为阴极。
33.筛孔板7的中心开设有2mm直径的圆形通孔，圆形通孔为45
°
错排形式，横纵均为11，筛孔板7采用聚四氟乙烯材质制成，具有一定的高温耐受性，使其能够暴露于等离子体高温区附近。
34.另外，上盖板1、阳极集流板2、阳极电解液流动池3、质子交换膜夹板4、阴极电解液流动池5、阴极集流板6、筛孔板7、等离子体氮气活化腔室8及底部盖板9之间通过螺丝相连接，螺丝的表面涂覆有绝缘涂层或者覆盖有绝缘外套，上盖板1、阳极集流板2、阳极电解液流动池3、质子交换膜夹板4、阴极电解液流动池5、阴极集流板6、筛孔板7、等离子体氮气活化腔室8及底部盖板9之间设置有硅橡胶垫片，用于防漏液。
35.在实际操作时，可以配置聚光器，通过聚光器将聚光焦点至反应器上方的光电阳极处，用于产生偏电压。
36.本发明的具体工作过程为：
37.在阴极电解液流动池5及阳极电解液流动池3的进口10处通入电解质溶液用于质子扩散，阴极电解液流动池5及阳极电解液流动池3内的气体由出口11排出。
38.空气经空心不锈钢管12通入等离子体氮气活化腔室8内部，并在放电尖端13处发生氮气活化反应，活化后的气体经筛孔板7上的筛孔14进入阴极电解液流动池5，在催化剂表面发生反应。
39.阴阳极金属催化剂长期使用后有定期耗损，需要定期更换金属催化剂。更换催化剂时，需要将阴极质子交换池内的电解液放空，将反应器拆卸，更换完成后重新装配，进项下一阶段的生产。
40.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽
管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。