[發明專利]一種光催化還原CO2反應器

在審

• 申請號: 201710281898.8
• 申請日: 2017-04-26
• 公開（公告）號: CN107008214A
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發明（設計）人: 趙永椿;熊卓;王藝程;雷澤;張軍營;鄭楚光
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B01J19/12
• 分類號: B01J19/12;B01J19/24
• 代理公司: 華中科技大學專利中心42201
• 代理人: 梁鵬,曹葆青

技術領域

本發明屬于二氧化碳捕獲相關設備領域，更具體地，涉及一種光催化還原CO₂反應器，其適于以高比表面積和高反應效率的方式來將CO₂轉化為碳氫化合物，同時具備結構緊湊、便于操控的特點。

背景技術

近年來，大量溫室氣體如CO₂的排放引起的溫室效應已成為全球關注熱點，而人類生產活動引起的大氣中CO₂濃度的增加也加速了溫室效應對全球氣候的影響。如何有效地降低CO₂濃度成為人們關注的重點。

利用光催化還原的方法將CO₂轉化為碳氫化合物是一種頗具潛力的減排并同時利用CO₂的有效辦法。它采用半導體材料作為催化劑，當能量高于半導體禁帶寬度的光照射到催化劑表面時，就會激發半導體內的電子從價帶躍遷至導帶，形成具有很強活性的電子空穴對，使得CO₂的還原反應得以進行。該方法能耗低、成本低、無污染，在降低CO₂排放的同時還實現了CO₂的資源化利用。

現有技術中已經提出了一些光催化還原CO₂反應器。例如，CN201610159514.0公開了一種光催化二氧化碳反應裝置，其中將反應器由兩個對稱的主體構成，并通過夾緊裝置相互連接固定；又如，WO2011086402公開了一種還原二氧化碳的實施設備，其中采用封閉反應容器來執行處理過程。然而，進一步的研究表明，上述這些反應設備可包括懸浮液反應器、常規固定床反應器等類型，但不同程度地均存在催化劑光利用率低、比表面積小等缺點，并直接影響到最終的光催化反應效率和質量。相應地，本領域亟需對此作出進一步的完善，以便更好地滿足大批量規模化光催化還原CO₂的應用需求。

發明內容

針對現有技術的以上不足或改進需求，本發明提供了一種光催化還原CO₂反應器，其中通過充分結合CO₂光催化還原反應的工藝特點來執行針對性設計，并對其關鍵組件的具體結構及其特定設置方式作出改進，相應與現有技術相比不僅能夠顯著延長反應物的停留時間，有利于與催化劑之間的充分接觸，而且同時還可極大增加光催化劑的比表面積和承載量，并具備便于操控、反應充分和結構緊湊等特點，進而能夠實現更為高效和高質的光催化還原處理過程，因而尤其適用于工業化大規模應用場合。

為實現上述目的，按照本發明，提供了一種光催化還原CO₂反應器，其特征在于，該光催化還原CO₂反應器整體呈圓筒體結構，并且從外到內依次包括加熱層、反光層、反應管和光源，其中：

所述加熱層呈空心圓柱體的形式，用于為整個光催化還原CO₂反應器的內部提供及保持所需的溫度；所述反光層附在該加熱層的內壁上，并用于將所述光源所發射的光執行多次反射；

所述光源與所述加熱層保持同軸地延伸設置，用于提供光照輻射來執行光催化反應；

所述反應管呈中空管件的形式，并圍繞所述光源呈螺旋狀延伸穿過整個所述加熱層；此外，該反應管的首尾兩端分別具有物料進口和物料出口，且其內壁附有光催化劑，由此用于將待反應的CO₂經由此反應管的中空管件內部保持盤旋地輸送及同步反應。

作為進一步優選地，所述光源為長弧燈管；并且其長度優選設定為1m。

作為進一步優選地，所述反應管的長度優選為3m，其外徑和內徑分別優選被設計為2cm～3.5cm和1.5cm～3cm。

作為進一步優選地，所述反應管的螺旋圈數優選為10～15，并且其回轉半徑優選為6cm～8cm。

作為進一步優選地，附在所述反應管內壁的光催化劑優選為TiO₂催化劑。

作為進一步優選地，所述反光層優選為鋁箔層，并且其厚度為2mm～3mm。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，主要具備以下的技術優點：

1、通過對將整個反應器設置為圓筒狀構造并對其內部組成部件的設置方式進行設計，特別是將反應管調整為螺旋狀中空管件來始終圍繞光源，同時布置有反光層和加熱層，這樣一方面能夠顯著延長反應物在反應管內的停留時間，同時增加光催化劑的比表面積，有利于反應物與催化劑之間的充分接觸；另一方面還通過讓光在一個相對狹小封閉的空間內不斷反射，相應可極大提高光利用率，對于促進光催化還原的效率和質量都能起到明顯的促進；