[发明专利]一种催化反应装置及催化剂带电研究用仪器和使用方法

权利要求书

1.一种催化反应装置，其特征在于，包括气体混合器(1)和反应器以及电炉(10)，反应器包括反应管(11)、第一电极(6)和第二电极(7)，反应管(11)设有第一进气口(2)和出气口(9)，第一进气口(2)与气体混合器(1)通过通气管相连，按照气体流动方向，反应管(11)内依次设有放电区域(21)和催化剂层(8)，电炉(10)为催化剂层(8)提供催化反应所需的温度；第一电极(6)和第二电极(7)之间的间隙形成放电区域(21)；第一电极(6)为空心，第一电极(6)设有第二进气口(5)。

2.根据权利要求1所述的催化反应装置，其特征在于，反应管(11)为两端装有绝缘密封配件(23)的石英管，石英管内通过绝缘密封配件(23)固定设有第一电极(6)，第一电极(6)通过第一金属导线(4)连接到高压电源(12)的输出端；第二电极(7)的横截面为环形，通过可移动金属圆环(25)固定套在石英管外部，第二电极(7)通过第二金属导线(3)接地。

3.根据权利要求2所述的催化反应装置，其特征在于，还包括示波器(13)，示波器(13)连接有第一电压探头(14)和第一电流探头(15)，第一电压探头(14)和第一金属导线(4)电连接，第一电流探头(15)与第二金属导线(3)电连接。

4.根据权利要求2所述的催化反应装置，其特征在于，第一电极(6)和第二电极(7)之间的距离是1mm～1000mm；高压电源(12)的电压峰值在1kV到10kV之间，电压波形为脉冲形状；催化剂层(8)和放电区域(21)的间距为1mm到1000mm。

5.根据权利要求2所述的催化反应装置，其特征在于，第一电极(6)由金属制成，第一电极(6)的横截面形状为圆形、椭圆形、三角形或者多边形，材质为铁、铜、银、金、铂、铝、钛、镁、锰、铅、锡、不锈钢、铜合金或铝合金；暴露在外一端可通入气体并连接高压电源(12)；第二电极(7)由金属片、金属网和或者有褶皱的金属片围绕反应管(11)的外壁一周缠绕而成，第二电极(7)的材质为铁、铜、银、金、铂、铝、钛、镁、锰、铅、锡、不锈钢、铜合金或铝合金。

6.根据权利要求1所述的催化反应装置，其特征在于，催化剂层(8)的催化剂种类为负载于载体上的金属催化剂，其中金属组分为其活性成分，金属催化剂的载体包括三氧化二铝、二氧化钛、二氧化硅、硅藻土、分子筛或树脂；金属组分包括贵金属、贱金属、碱金属和稀土金属中的至少一种；贵金属包括金、银、铂、钯和铑中的至少一种；贱金属包括铜、铅、镍、锌、铁、铝、锡、钨、钼、钽、镁、钙、钴、铋、镉、钛、锆、锑、锰、铍、铬、锗、钒、镓、铪、铟、铌、铼和铊中的至少一种；碱金属包括锂、钠、钾、铷、铯和钫中的至少一种；稀土金属包括铈；催化剂层(8)高度在3～5cm之间，催化剂层(8)的下部通过石英棉(24)或者玻璃棉或者球固定，球为陶瓷球或石英球或玻璃球。

7.根据权利要求1所述的催化反应装置，其特征在于，催化剂的反应温度为20℃～800℃；催化剂为固体。

8.一种利用法拉第杯来检测催化剂的带电特性的催化剂带电研究用仪器，其特征在于，包括权利要求1-7任意一项所述的催化反应装置，沿气体流动方向，反应管(11)内位于催化剂层(8)的下游设有法拉第杯(22)。

9.根据权利要求8所述的催化剂带电研究用仪器，其特征在于，法拉第杯(22)连接有第三金属导线(20)，第三金属导线(20)设有电阻(19)，第三金属导线(20)与第二金属导线(3)电连接，示波器(13)设有第二电压探头(17)和第二电流探头(18)，第二电压探头(17)和电阻(19)电连接，第二电流探头(18)与第三金属导线(20)电连接；反应管(11)设有第一进气口(2)，第一电极(6)可拆卸的安装在反应管(11)内且下端高于催化剂层(8)；法拉第杯(22)形状为多孔圆柱体，材质为电阻(19)率较低的金属；法拉第杯(22)为直径8毫米～10毫米的多孔金属；法拉第杯(22)的材质为银、铜、金、铝、钙、铍、镁、钼、铱、钨、锌、钴、镍、镉、铟、铁或铂。

10.一种权利要求9所述的催化剂带电研究用仪器的使用方法，其特征在于，分别测量催化剂层(8)有催化剂和无催化剂时的法拉第杯(22)的电压和电流，得到两次法拉第杯(22)获得的离子量，通过二者的差值，计算出催化剂表面吸附的离子量；

测量催化剂层(8)有催化剂时的法拉第杯(22)的电压和电流，步骤如下：

1)、反应器放置催化剂的部分置于电炉(10)中，在50℃～800℃之间调控催化剂反应所需的反应温度；第一电极(6)和第二电极(7)分别通过第一金属导线(4)和第二金属导线(3)连接高压电源(12)输出端和接地线(16)；通过高压电源(12)所加的电压波形为正脉冲和负脉冲，电压峰值的绝对值在1kV～10kV；

2)、第二进气口(5)通入反应气，第一进气口(2)通入保护气，保护气为氮气或者氦气，氮气或者氦气分子经过放电区域(21)被分解成N₂⁺或者He⁺。

3)、N₂⁺或者He⁺随着气流经催化剂层(8)后，剩余离子到达法拉第杯(22)处，由法拉第杯(22)进行捕集与检测；其余的气体通过出气口(9)排出；

测量催化剂层(8)无催化剂时的法拉第杯(22)的电压和电流，步骤如下：

1)、准备催化剂层(8)不放置催化剂的反应器，将原本放置催化剂的反应器的部分置于电炉(10)中，在50℃～800℃之间调控催化剂反应所需的反应温度；第一电极(6)和第二电极(7)分别通过第一金属导线(4)和第二金属导线(3)连接高压电源(12)输出端和接地线(16)；通过高压电源(12)所加的电压波形为正脉冲和负脉冲，电压峰值的绝对值在1kV～10kV；

2)、第二进气口(5)不通入反应气，第一进气口(2)通入保护气，保护气为氮气或者氦气，氮气或者氦气分子经过放电区域(21)被分解成N₂⁺或者He⁺；

3)、N₂⁺或者He⁺随着气流到达法拉第杯(22)处，由法拉第杯(22)进行捕集与检测；其余气体通过出气口(9)排出。