[发明专利]三相界面分段式串联催化的光催化CO2

说明书

本发明公开了三相界面分段式串联催化的光催化CO₂还原装置及方法，属于二氧化碳资源化利用技术领域，包括反应器以及设置于反应器内部的气体扩散单元和分段式串联催化层；气体扩散单元下表面设有分段式串联催化层；分段式串联催化层包括第一段催化剂和第二段催化剂；CO₂气体进入反应器，通过气体扩散单元后首先扩散至第一段催化剂，在光照下被还原为CO，CO随即继续扩散至第二段催化剂并被光催化还原为C₂+产物排出。本发明通过对整体结构的设计和关键部件的结构设计，实现促进界面CO₂传质的同时暴露充足的活性位点以同时提高CO₂光催化还原活性和选择性，为促进界面CO₂传质以提高光催化活性和选择性提供一种通用策略。

技术领域

本发明属于二氧化碳资源化利用技术领域，更具体地，涉及一种三相界面分段式串联催化的光催化CO₂还原装置及方法。

背景技术

光催化技术是实现CO₂还原为高附加值化学品的一种有效办法。光催化技术通过模拟植物光合作用，以光敏半导体为催化剂，利用可持续并无污染的太阳能激发催化剂产生光生电子-空穴对，将CO₂催化还原，生成高附加值的太阳能燃料，可以有效降低CO₂排放，并提供可再生能源，是一种反应条件温和、低成本、环境友好的CO₂减排及资源化利用技术。

然而，低光催化活性和产物选择性仍然极大地限制其实际应用。CO₂在催化剂表面的传质是提高光催化活性和碳产物选择性的关键科学问题。现有研究发现构筑气-固-液三相反应界面可以有效促进CO₂还原。构建三相界面的传统方法是将CO₂气体鼓吹到分散有催化剂的液相中，而由于大多数半导体基光催化剂是亲水性的，CO₂气泡无法有效地吸附在其表面以形成稳定的三相界面，抑制了CO₂界面传质过程，从而限制了CO₂光催化还原活性和选择性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种三相界面分段式串联催化的光催化CO₂还原装置及方法，其目的在于将催化剂负载到气体扩散层表面，实现促进界面CO₂传质的同时暴露充足的活性位点以同时提高CO₂光催化还原活性和选择性，由此解决现有技术中将CO₂气体鼓吹到分散有催化剂的液相中从而导致CO₂气泡无法有效地吸附在其表面以形成稳定的三相界面，抑制了CO₂界面传质过程的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了三相界面分段式串联催化的光催化CO₂还原装置，包括反应器以及设置于所述反应器内部的气体扩散单元和分段式串联催化层；

所述气体扩散单元下表面设有所述分段式串联催化层；

所述分段式串联催化层包括第一段催化剂和第二段催化剂；所述第一段催化剂为产物选择性为CO的光催化剂；所述第二段催化剂为产物选择性为C₂+的光催化剂；

CO₂气体进入所述反应器并通过所述气体扩散单元，在光照下首先被所述第一段催化剂还原为CO气体，随即CO气体被所述第二段催化剂还原为C₂+产物，产物随气流从出气口引出。

优选地，所述分段式串联催化层下方设有所述饱和溶液，所述饱和溶液的液面与所述分段式串联催化层的下表面接触。

进一步优选地，所述饱和溶液为饱和碳酸氢盐溶液。

优选地，所述气体扩散单元上表面连接气体通路，所述气体通路的首尾段分别设有进气口和出气口，所述进气口位于所述第一段催化剂上方，所述出气口位于所述第二段催化剂上方。