[发明专利]一种用于光催化反应的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于光催化反应的方法及装置，更具体地，涉及一种用于光催化分解水制氢和光催化降解有机污染物的方法及装置。

背景技术

能源与环境问题是人类社会实现可持续发展必须解决的两个重要问题。目前，随着化石能源的日益枯竭与环境问题的日趋严重，寻找清洁无污染的可再生新能源以及污染物的降解减排已迫在眉睫。

在诸多新能源中，太阳能以其取之不尽用之不竭的绝对优势而受到广泛关注。在太阳能利用技术中，光催化分解水制氢和光催化降解有机污染物有着重要的意义。氢能是一种清洁、高效、安全、可贮存、可运输、可再生的能源，是化石能源的理想替代品。与传统的化石原料制氢相比，利用太阳能和光催化剂，实现光催化分解水制氢是最为清洁的制氢途径。光催化降解有机污染物是光催化剂以太阳能为动力，将有毒有害的有机污染物氧化分解为无毒的小分子物质，使之可以安全排放到自然环境中去。在上述光催化过程中，光催化剂的工作原理是其吸收能量大于其禁带宽度的光子而被激发，产生电子空穴对，电子和空穴被输运至催化剂表面，与吸附于催化剂表面的物质发生氧化还原反应生成氢气和氧气或者生成具有强氧化性的自由基将有机污染物氧化降解。该类光催化剂多为粉末状，在表征光催化效率时一般是将其分散至水体系中形成悬浮液，在光照下进行催化反应。目前主要是通过以下两种途径来提高光催化效率：1)提高受禁带宽度限制的光吸收；2)抑制光生电子空穴的复合。但对于如何提高光的吸收率以及抑制逆反应(产生的氢气与氧气反应生成水)研究的较少。

S.Tabata等人(Catalysis Letters 1995，34：245-249)在研究光照方向对光催化分解水产氢效率的影响时发现，光源从反应器顶部入射的产氢量是从底部入射的产氢量的10倍以上；H.Kominami等人(Phys.Chem.Chem.Phys.2001，3：4102-4106)对比光源从侧面入射和从顶部入射的产氢量时也得到了类似的结果，这说明氢气主要是从气液界面部分的水层逸出，而液体内部的氢气由于要经过相对较长的距离才能进入气相，发生逆反应的概率大大增加，对实际产氢量的贡献十分有限。可见这种液相悬浮液体系使氢气的产量受到严重限制，即使催化剂本身的制氢效率很高，也只有气液界面部分的水层中的氢气才能够逸出到气相中而被收集利用，而液体内部的氢气与氧气大部分因复合而消耗掉，从而影响产氢效率。另外，液相悬浮液的透光性较好，有相当一部分光从液相悬浮液中透射而出，不能被催化剂有效吸收，对光的利用率较低，这也就降低了光催化效率。

发明内容

因此，本发明的目的是克服现有技术的光催化反应方法不能有效抑制逆反应和光利用率较低的问题，提出一种有效抑制逆反应且光利用率较高的光催化反应方法以及用于该方法的装置。

为了实现上述目的，本发明提供一种光催化反应方法以及用于该方法的光催化反应装置。其中，本发明的光催化反应方法包括如下步骤：

1、将含有光催化剂和反应物的溶液或悬浮液雾化，形成雾气；

2、利用光源使步骤1得到的雾气发生光催化反应。

根据本发明提供的方法，其中，所述溶液或悬浮液为含有光催化反应的反应物和光催化剂的溶液或悬浮液，例如，对于光催化分解水的反应，所述溶液或悬浮液可以为含有用于分解水的光催化剂的水溶液或悬浮液；对于光催化降解有机污染物的反应，所述溶液或悬浮液可以为含有用于降解有机污染物的光催化剂和有机污染物的水溶液。

根据本发明提供的方法，其中，所述光催化剂可以为任何用于光催化反应的光催化剂。在本发明的一些实施方式中，该光催化剂可以为分解水制氢的光催化剂或用于光催化降解有机污染物的光催化剂。这样的催化剂的例子包括，但不限于：金属氧化物、金属硫化物、钛酸盐、铌酸盐、钽酸盐、钨酸盐、钒酸盐、锆酸盐、镓酸盐、锗酸盐、铟酸盐、锡酸盐、锑酸盐以及由其中的几种所组成的复合催化剂或固溶体催化剂，以及掺杂(金属掺杂、非金属掺杂、金属与非金属共掺杂)的上述催化剂，和担载助催化剂的上述催化剂中的一种或多种。

根据本发明提供的方法，其中，所述雾化的方法可以为现有技术中的任何使液体雾化的方法，例如，可以使用常规的超声雾化器、离心转盘雾化器或其它的雾化手段使所述溶液雾化。

根据本发明提供的方法，其中，所述光源可以为任何常规用于光催化反应的光源，例如，可以为氙灯、汞灯、卤钨灯、LED灯和太阳光中的一种或几种。根据本发明提供的方法，其中，利用光源使所述雾气发生光催化反应的方法可以将光源置于雾气中的任意位置，也可以将光源置于雾气外部。