從1972年日本科學(xué)家藤島昭發(fā)現(xiàn)光催化現(xiàn)象開始，光催化已經(jīng)有五十年的發(fā)展歷程。近些年，光催化研究也開始從實驗室基礎(chǔ)研究逐漸向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，隨之而來的是反應(yīng)裝置的配套升級，將實驗室內(nèi)簡單的光催化反應(yīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閼敉饪梢蕴柟庵苯诱丈涞拇竺娣e反應(yīng)裝置。
“氫農(nóng)場”項目（Hydrogen Farm Project (HFP)）由院士、大連化學(xué)物理研究所研究員李燦團(tuán)隊在《Angew》雜志發(fā)表題為《A Hydrogen Farm Strategy for Scalable Solar Hydrogen Production with Particulate Photocatalysts》成果時提出。“氫農(nóng)場”項目采用BiVO4晶體充當(dāng)水氧化光催化劑，用以實現(xiàn)用于太陽能存儲和制氫的HFP，實現(xiàn)STC(Solar-to-Chemical)超過1.9％和STH(Solar-to-Hydrogen)超過1.8％，由于這種方法主要類似于農(nóng)業(yè)農(nóng)場的過程，即大規(guī)模種植農(nóng)作物，然后在農(nóng)作物成熟后集中收獲，因此團(tuán)隊將其命名為“氫農(nóng)場”項目。
泊菲萊科技直接太陽光陣列式平板光化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)
泊菲萊科技聯(lián)合中科院大連化物所李燦院士團(tuán)隊推出PLR-SPR系列平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置，使實驗室中合成的光催化劑，在太陽光的直接作用下，得到了大面積產(chǎn)業(yè)化的驗證。相較于傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)器，平板式反應(yīng)器具有受光面積更大，催化劑的光照均勻性更高，反應(yīng)物與催化劑的傳質(zhì)效率更高，放大效應(yīng)小等優(yōu)勢，是光催化反應(yīng)體系向戶外應(yīng)用轉(zhuǎn)化的。
為了更好的推動平板式反應(yīng)器的規(guī)模化應(yīng)用，泊菲萊科技推出的PLR-SPR系列平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置在應(yīng)用場景上進(jìn)行了更精細(xì)的劃分。
PLR-SPRL實驗級平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置體積小巧，適用于初期的實驗條件摸索，主要用于光催化反應(yīng)的前期條件摸索，包括催化劑負(fù)載量的優(yōu)化，流速的優(yōu)化，反應(yīng)器材質(zhì)選擇等。
PLR-SPRF小試級平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置體積較大，適用于中期戶外量程可行化的驗證，主要用于光催化反應(yīng)的條件確認(rèn)后的放大性驗證和戶外實驗驗證，包括反應(yīng)器材質(zhì)的優(yōu)化，熱量傳遞的優(yōu)化，傳質(zhì)效率的優(yōu)化以及大面積催化劑負(fù)載工藝的優(yōu)化等。
PLR-SPRG量產(chǎn)級平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置可將反應(yīng)器按照陣列形式進(jìn)行串聯(lián)或者并聯(lián)，實現(xiàn)后期的規(guī)?；慨a(chǎn)，主要用于光催化反應(yīng)的規(guī)模化生產(chǎn)。
優(yōu)勢詳解
PLR-SPR系列平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置在催化劑固定、擾流設(shè)計、床層設(shè)計、管路設(shè)計、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等方面具有一系列的特點和優(yōu)勢，適用于光化學(xué)反應(yīng)研究和工業(yè)生產(chǎn)。
1. 高的光照效率與光照均勻度
不同于傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)器，PLR-SPR系列平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)呈扁平狀，催化劑可均勻分散在板式反應(yīng)器中。反應(yīng)過程中，催化劑的受光面積更大，與光源距離基本一致且無遮擋，催化劑的光照效率和光照均勻度更高，可提高光反應(yīng)速率同時減少因局部反應(yīng)過快而造成的副反應(yīng)。
2. 高效的傳質(zhì)效率和循環(huán)效率
PLR-SPR系列平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置綜合考慮了反應(yīng)器的尺寸與邊緣結(jié)構(gòu)，并在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)計了擾流層，使反應(yīng)物在反應(yīng)器中快速混合均勻，減少了反應(yīng)器中的死體積，提高了傳質(zhì)效率，有利于提高光催化反應(yīng)的速率同時減少局部濃度產(chǎn)物積累而導(dǎo)致的副反應(yīng)。
PLR-SPR系列平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置的床層設(shè)計保留了薄層液相結(jié)構(gòu)，充分增大催化劑與反應(yīng)物的接觸面積，以確保充分接觸和有效反應(yīng)。為了避免床層過薄出現(xiàn)阻力大，體系壓力過高等現(xiàn)象，通過仿真模擬匹配了的催化劑床層和流體層高度，同時采用了更合理的管道布局和連接方式保證了體系高的循環(huán)效率與穩(wěn)定性。
3. 優(yōu)秀的氣密性和穩(wěn)定性
PLR-SPR系列平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置采用長壽命、耐腐蝕、耐高溫密封膠圈進(jìn)行密封，具備良好的氣密性，確保反應(yīng)過程中不會發(fā)生泄漏，保障實驗的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
在壓力設(shè)計方面，為了延長平板的使用壽命PLR-SPR系列平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置進(jìn)行了相應(yīng)的耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證了裝置的穩(wěn)定性和安全性。
圖1.平板反應(yīng)器耐壓仿真圖
4. 實時監(jiān)測多種數(shù)據(jù)
PLR-SPR系列平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置還配備了pH測量功能，能夠?qū)崟r監(jiān)測反應(yīng)體系的酸堿性，以調(diào)節(jié)反應(yīng)條件和優(yōu)化反應(yīng)效果。此外還可以選配溫度、壓力、環(huán)境濕度、氧化還原電位、太陽輻射度、紫外輻射度等數(shù)據(jù)的監(jiān)測模塊。
此外，PLR-SPR系列平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置還擁有多項技術(shù)，其中的快拆設(shè)計（號：.X）使得裝置易于維護(hù)和清洗，提高了操作便捷性和實驗效率。
圖2.平板反應(yīng)器快拆結(jié)構(gòu)示意圖
5. 靈活的定制方案
為了適用于不同的反應(yīng)體系，PLR-SPR系列平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置提供靈活的定制化方案，包括反應(yīng)器及管路規(guī)格、材質(zhì)、流速、催化劑床層高度、液層高度、換熱體系、氣液分離及數(shù)據(jù)監(jiān)測等多個參數(shù)均可進(jìn)行個性化定制，為不同光催化反應(yīng)體系量身定造的平板式反應(yīng)器。
| PLR-SPR系列平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置 | ||||
| 參數(shù) | PLR-SPRL實驗室級 | PLR-SPRF小試級 | PLR-SPRG量產(chǎn)級 | |
| 反應(yīng)器尺寸 | 10×10 cm ²，可選5×5、15×15、20×20、25×25 cm ² | 0.1 m ²，可選0.25、0.5 m ² | 0.5 m ²，可選5 m ²、10 m ² | |
| 反應(yīng)流量 | 0~1 L/min | 5~10 L/min | 25~120 L/min | |
| 儲液池 | 0.2~0.8 L | 10 L | 10~1000 L | |
| 支架單元 | 桌面型 | 落地型 | 戶外型 | |
| 管路 | PU管、四氟管、不銹鋼管、PPR管 | 不銹鋼管 | 不銹鋼管 | |
| 應(yīng)用場景 | 室內(nèi)/戶外 | 室內(nèi)/戶外 | 戶外 | |
| 所需面積 | 桌面2m ² | 地面5~10m ² | 地面10~100m ² | |
| 應(yīng)用領(lǐng)域 | 光催化：光催化分解水、液態(tài)陽光、光催化污水降解 光電催化：光伏光電催化分解水 | |||
- Zhou, Qixin; Guo, Yan*; Zhu, Yongfa*, Photocatalytic sacrificial H2 evolution dominated by micropore-confined exciton transfer in hydrogen-bonded organic frameworks. Nature Catalysis 2023.
