[發明專利]一種光催化合成氨反應器及光催化合成氨反應系統

在審

• 申請號: 202210599902.6
• 申請日: 2022-05-27
• 公開（公告）號: CN114804149A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 羅志斌;蘭晗暉;孫瀟;朱光濤
• 申請（專利權）人: 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司
• 主分類號: C01C1/04
• 分類號: C01C1/04
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 劉慧麗

本發明公開了一種光催化合成氨反應器及反應系統，包括依次疊合固定的基板、催化層和固定框；基板靠近催化層的一側具有流道，所述基板前側面和后側面上分別設置有與所述流道連通的進氣口和出氣口；固定框遠離催化層的側面密封安裝有透光層，透光層、所述催化層和所述固定框形成液流空間，所述固定框上設置有與所述液流空間連通的進水口和出水口；催化層上設置有多個連通所述流道和所述液流空間的通孔，所述催化層上設置有光催化劑；基板靠近所述催化層的一側連續均勻設有多個上下方向延伸的凹槽，各所述凹槽依次連通且與所述進氣口和所述出氣口連通，以形成所述流道。本申請能夠增加氮氣在反應器中的停留時間，提高合成氨的轉化效率。

技術領域

本發明涉及光電催化電解技術領域，特別是涉及一種光催化合成氨反應器及光催化合成氨反應系統。

背景技術

氨是全球產量最大的無機化合物之一，大部分用作肥料使用，對地球上的生物非常重要，是現代農業發展的基礎。氨即可作為制冷劑，也是制造硝酸、化肥、炸藥的重要原料，用途廣泛。近年全球“碳達峰、碳中和”發展背景下，氨作為零碳載體，與氫的角色類似，可作為燃料或者原料，在各經濟部門中發揮脫碳的作用，具備作為清潔能源大規模使用的發展潛力；且相比于氫，氨的能量密度更高，是液氫的1.5倍，并且氨容易液化(標準大氣壓下，氨的液化溫度為-33℃，氫的液化溫度為-252.76℃)，點火溫度比氫高(氨的自燃點651.1℃，氫的自燃點為527℃)，儲運更加安全。目前，哈伯法固氮是工業上應用最為廣泛、技術最成熟的合成氨工藝，但是其反應溫度高、操作壓力大(500℃，20～50MPa)，存在能耗高、碳排放量大等缺點。無論是從傳統合成氨脫碳的角度，抑或發展綠色氨能源產業的要求來看，發展零碳、清潔、低能耗的新型合成氨技術均具有重要意義。

光催化原理是基于光催化劑在光照的條件下，可產生電子空穴對，其中電子具有還原能力，而空穴具有氧化能力，從而使物質發生化學反應。

光催化固氮是一種極具發展前景的綠色合成氨方法，反應原料為水和氮氣，通過光催化劑，以太陽光作為驅動能量，實現常溫常壓條件下合成氨。

氣-液相混合體系是目前常溫常壓光催化合成氨最常規的應用，現有技術中提供一種光催化合成氨氣液反應器，光催化劑以顆粒形式分散在電解質溶液中，氮氣流連續不斷地通入反應裝置內部的溶液中。在光照條件下，溶解在溶液中的氮氣分子與水分子發生反應生成氨。但該種光催化合成氨氣液反應裝置具有比較多的局限性：氮氣在水溶液中的溶解度較低，常溫常壓下1體積的水僅能溶解約0.02體積的氮氣，溶液中的氮氣含量很難提高，導致氨氣的轉化效率極其受限；產物氨仍然留在反應體系中，難以及時進行分離，容易被繼續氧化成其它物質；光催化劑顆粒混合在水溶液中，分離操作比較復雜和困難，不利于產業化推廣。

現有技術中還提供了一種光電催化合成氨反應器，其將還原反應與氧化反應空間隔離開來，催化劑制成電極形式，分為陽極與陰極，有利于避免產物氨被氧化。在光照條件下，陽極上發生氧化反應，將水分子氧化成氧氣，陰極發生還原反應，將氮氣還原成氨。但是該種光電催化合成氨反應器雖然可以避免合成的氨被氧化，但是反應過程中，參與反應的氮氣本質還是溶液中溶解的氮氣，仍然受限于氮氣在水溶液中溶解度小導致其轉化效率低的問題。且其體積較大，難以實現高度集成。

綜上，現有技術中的合成氨反應器由于氮氣在溶液中的溶解率低而引起合成氨的轉化效率低。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種光催化合成氨反應器，能夠解決技術問題：現有技術中的合成氨反應器由于氮氣在溶液中的溶解率低而引起合成氨的轉化效率低；本發明的另外一個目的在于提供一種光催化合成氨反應系統。

為了實現上述目的，本發明提供一種光催化合成氨反應器，包括依次疊合固定的基板、催化層和固定框；

所述基板靠近催化層的一側具有流道，所述催化層密封蓋合在所述流道邊緣，所述基板前側面和后側面上分別設置有與所述流道連通的進氣口和出氣口；