[发明专利]一种同时具备气体在线和离线分析功能的不锈钢光电化学反应装置

说明书

本发明公开了一种同时具备气体在线和离线分析功能的光电化学反应装置。该装置的核心结构包括主反应腔室、气体循环回路和循环水冷却系统，均由不锈钢制成，具有气密性好、温度可控、结构紧凑、可扩展性强的优势。而且该装置可与商品化气相色谱兼容，同时具备气体成分在线和离线分析功能，有望在光电化学裂解水、二氧化碳还原等的科学研究中得到广泛的应用。

技术领域

本发明属于化学反应装置技术领域。更具体地，涉及一种同时具备气体在线和离线分析功能的新型不锈钢光电化学反应装置。

背景技术

随着社会的高速发展，人们对能源需求越来越大。石油、天然气等不可再生矿物能源的蕴藏量是有限的，随着人类的不断开采和消耗，总有一天会枯竭。此外，这些矿物能源的使用会产生大量二氧化碳气体，引起温室效应，而排放的大量有害气体，会造成了严重的环境污染。因此，开发新型的清洁可再生能源对于人类社会的可持续发展是至关重要和迫不及待。

太阳是地球能源的主要来源。每秒钟到达地球的能量大约为1.73 × 10¹⁷瓦，是全人类所消耗能量（14万亿瓦，1.4 ×10¹³瓦）的1万多倍。尽管太阳能的能量很巨大，但存在间歇性和不可预测性的不利影响。将太阳能转化为可存储的可再生清洁能源是有效利用太阳能的重要途径之一。氢气是一种具有高燃烧热值的清洁能源，燃烧后的唯一产物是水。1972年Fujishima和Honda等人发现二氧化钛光阳极在太阳光照射下可将水裂解为氢气和氧气。自此以来，越来越多科学家将研究精力投入到半导体光电极在裂解水（或二氧化碳还原）这一科学领域。利用太阳光来光/光电裂解水生产氢气可有效利用太阳能，为解决社会发展所带来的能源需求以及环境污染问题提供一条有效途径。

测量产物的成分及含量对于深入地研究半导体光电极的光电化学性能以及光-化学的转化效率是必不可少的。光电化学裂解水的产物是氢气和氧气，而二氧化碳还原的产物多为一氧化碳，甲烷等燃料气体小分子。因此，气相色谱被广泛地应用于光电化学反应产物的检测。有机地结合传统电化学电解池和气相色谱对于研究半导体光电极的特性是非常重要的。目前，国内有如泊菲莱(PerfectLight) 等少数公司生产和供应相关光电化学反应系统。然而，目前绝大部分商品化的光电化学反应系统是使用光学玻璃制作而成。为了实现气体成分在线分析，气相色谱通常需要经过一套复杂的玻璃取样管道与电解池连接。 用于气体在线分析的玻璃管道存在价格昂贵、易碎、结构复杂、加工困难、可扩展性差、维护过程复杂、气密性难以保证等缺点。此外，玻璃管道与气相色谱的不锈钢管道连接工艺相对复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷和不足，提供一种气密性好、温度可控、结构紧凑、功能扩展性强、加工成本低、易于维护，并且可与商品化气相色谱兼容的，同时具备气体成分在线和离线分析功能的新型不锈钢光电化学反应装置。此装置有望在光电化学裂解水、二氧化碳还原的科学研究中得到广泛的应用。

本发明的目的是提供一种同时具备气体在线和离线分析功能的不锈钢光电化学反应装置。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种同时具备气体在线和离线分析功能的光电化学反应装置，主要由主反应腔室、气体循环回路和循环水冷却系统组成（见图1所示）。

具体地，各部件组成如下：

（1）主反应腔室：主结构为一个不锈钢9通腔室，两个法兰分别位于其上部和下部，另外6个法兰位于主反应腔室中部并呈60度分布，一个卡套焊接于腔室中部；一个光学窗口通过主反应腔室上部的法兰与主反应腔室连接；一个具备三电极体系的光电化学电解池通过主反应腔室下部的法兰密封于主反应腔内（整个光电化学电解池密封于主反应腔室内）；主反应腔室上还连接有气压表，还分别设置有与电化学电极、热电偶、微型气泵（真空泵）连接的电极端口。在测试中，光通过上部的光学窗口自上而下地照射在光电极上。