專利名稱：多通道光解制氫催化劑性能快速評(píng)測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，涉及對(duì)光解制氫催化劑性能的檢測(cè)，特別涉及一種多通道光解制氫催化劑性能快速評(píng)測(cè)裝置。
現(xiàn)有技術(shù)在光催化領(lǐng)域，如光催化降解有機(jī)污染物、光催化太陽(yáng)能分解水產(chǎn)氫等，都涉及到高效光催化劑的研制與篩選，而光催化劑的快速篩選對(duì)于研究者來(lái)說(shuō)具有重要意義。自然界與人工合成的化合物中，具有光催化活性的化合物很多，而由于缺乏有效的光催化性能(特別是光解水制氫性能)快速評(píng)價(jià)設(shè)備，篩選效率不高，因此大多數(shù)化合物的光催化性能無(wú)法得到驗(yàn)證，使得許多有可能具有很好光催化活性的化合物沒(méi)有得到開發(fā)。同時(shí)催化劑的選擇性或活性之間的有與無(wú)，能量差別很小(過(guò)渡態(tài)能量變化僅為4.19～8.37kJ/mol)。因此當(dāng)催化劑的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)條件或底物結(jié)構(gòu)等因素發(fā)生微小變化時(shí)，不易預(yù)測(cè)催化劑性能的改變。迄今為止，人類用于光催化劑性能評(píng)價(jià)的方法都需要經(jīng)過(guò)在一個(gè)反應(yīng)器中一次進(jìn)行一種光催化劑的光催化實(shí)驗(yàn)研究的漫長(zhǎng)過(guò)程，基于這樣傳統(tǒng)的催化劑性能評(píng)價(jià)方式根本無(wú)從對(duì)各種潛在可能性加以考查。在已公開文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)方法一般是在一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行的。如《膜科學(xué)雜志》(J Membrane Science)206(2002)399-415報(bào)導(dǎo)的《對(duì)用于水凈化的各種耦合光催化和膜處理的反應(yīng)器的研究》(Studies on variousreactor configurations for coupling photocatalysis and membrane processes inwater purification)所綜述的幾種光催化處理水系統(tǒng)，都是基于一個(gè)反應(yīng)器的反應(yīng)系統(tǒng)。又如《國(guó)際無(wú)機(jī)材料雜志》(IntJ Inorg Mater)2(2000)339-346報(bào)導(dǎo)的《Cu2+摻雜層狀鈦酸氫鹽的合成和光化學(xué)特性》(Synthesis andphotochemical properties of Cu2+doped layered hydrogen titanate)采用的光反應(yīng)器，也只用到一個(gè)反應(yīng)器。國(guó)際上已公開報(bào)道的現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置由于都只用到一個(gè)反應(yīng)器，每次只能評(píng)測(cè)一種光催化劑的催化性能，在對(duì)光催化劑作篩選時(shí)效率非常低。因此，迫切需要能夠快速評(píng)價(jià)與篩選大量化合物光催化性能的實(shí)驗(yàn)裝置，以大幅提高工作效率，來(lái)遴選發(fā)現(xiàn)新的光催化劑。
根據(jù)申請(qǐng)人所進(jìn)行的資料檢索，目前國(guó)內(nèi)外尚未見有能滿足多組催化劑光催化分解水制氫性能同時(shí)檢測(cè)與評(píng)價(jià)的反應(yīng)裝置的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種多通道光解制氫催化劑性能快速評(píng)測(cè)裝置，利用Pd/WO3薄膜對(duì)不同氫氣濃度的變色響應(yīng)不同來(lái)快速篩選分解水光催化劑，利用石英冷卻水裝置來(lái)控制反應(yīng)裝置的溫度，利用石英反應(yīng)器圍繞光源均勻分布、控制光源正反轉(zhuǎn)以及圓筒型外殼來(lái)使各個(gè)反應(yīng)器受光相對(duì)均勻，利用對(duì)管路的控制使各反應(yīng)器對(duì)應(yīng)的管路體積相同，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)多種候選化合物光解水制氫性能的可比較篩選，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器的小型化，大大減少了對(duì)被檢化合物的需要量。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，一種多通道光解制氫催化劑性能快速評(píng)測(cè)裝置，其特征在于，包括一圓筒型狀的光反應(yīng)系統(tǒng)，在光反應(yīng)系統(tǒng)的中央設(shè)置一由異步電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的光源，光源置于一個(gè)石英夾套內(nèi)，該石英夾套可以通冷卻水對(duì)光源進(jìn)行冷卻，或通1mol·L-1的NaNO2溶液以冷卻光源并濾掉400nm以下波長(zhǎng)的光；圍繞光源的周圍均勻分布設(shè)置有多個(gè)石英反應(yīng)器，每個(gè)石英反應(yīng)器配置有磁力攪拌電機(jī)，各石英反應(yīng)器通過(guò)管路被引出光反應(yīng)器，各石英反應(yīng)器所對(duì)應(yīng)的管路內(nèi)的體積相同，管路與氮?dú)馄亢驼婵毡眠B通，各管路的出口一一對(duì)應(yīng)于鍍有Pd/WO3薄膜玻璃板上的相應(yīng)點(diǎn)。
本發(fā)明的其它一些特點(diǎn)是，所述異步電機(jī)帶有繼電器、調(diào)速器和正反轉(zhuǎn)控制器，以控制異步電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)。
所述光源設(shè)置在異步電機(jī)上方，通過(guò)控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使各石英個(gè)反應(yīng)器受光相對(duì)均勻。
所述光源是汞燈(或氙燈或鹵鎢燈或金屬鹵素?zé)?。
所述石英反應(yīng)器的規(guī)格為10ml～500ml。
所述Pd/WO3薄膜被密封地夾在有機(jī)玻璃夾子中。
所述有機(jī)玻璃夾子的上板開有梯型體槽，在槽內(nèi)還可以放置用于對(duì)Pd/WO3薄膜玻璃板進(jìn)行加熱控溫的加熱板。
采用本發(fā)明的測(cè)評(píng)裝置能夠提高單位時(shí)間與單位空間內(nèi)化合物光催化制氫性能評(píng)測(cè)效率，進(jìn)而提高光解制氫催化劑的篩選效率。


圖1是本發(fā)明的裝置框圖；圖2是本發(fā)明的電機(jī)控制部分框圖；圖3是本發(fā)明的光反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的氣體檢測(cè)部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的有機(jī)玻璃夾子立體圖；圖6是本發(fā)明的有機(jī)玻璃夾子上夾板的俯視圖；圖7是本發(fā)明的有機(jī)玻璃夾子下夾板的俯視圖；圖8為薄膜變色程度(透過(guò)率)與CdS量的關(guān)系曲線；圖9為薄膜變色掃描圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和發(fā)明人依照本發(fā)明的技術(shù)方案完成的測(cè)評(píng)裝置的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
如圖1所示，一種多通道光解制氫催化劑性能快速評(píng)測(cè)裝置，包括一圓筒型狀的光反應(yīng)系統(tǒng)，在光反應(yīng)系統(tǒng)的中央設(shè)置-由異步電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的光源，圍繞光源的周圍均勻分布設(shè)置有多個(gè)石英反應(yīng)器，每個(gè)石英反應(yīng)器配置有磁力攪拌電機(jī)，各石英反應(yīng)器通過(guò)管路被引出光反應(yīng)器，各石英反應(yīng)器所對(duì)應(yīng)的管路內(nèi)的體積相同，管路與氮?dú)馄亢驼婵毡眠B通，各管路的出口一一對(duì)應(yīng)于鍍有Pd/WO3薄膜玻璃板上的相應(yīng)點(diǎn)。
本發(fā)明主要分為電機(jī)控制部分、光反應(yīng)系統(tǒng)、氣體檢測(cè)部分。
電機(jī)控制部分如圖2所示，包括磁力攪拌電機(jī)，其用于反應(yīng)器的磁力攪拌；異步電機(jī)，其用于使光源均勻的轉(zhuǎn)動(dòng)；調(diào)速器，其用于異步電機(jī)的調(diào)速，調(diào)速范圍為0-7r/min；正反轉(zhuǎn)控制器，其用于調(diào)節(jié)異步電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；繼電器，其用于跟正反轉(zhuǎn)控制器配合控制異步電機(jī)正反轉(zhuǎn)。
光反應(yīng)系統(tǒng)如圖3所示，由汞燈(或氙燈或鹵鎢燈或金屬鹵素?zé)?構(gòu)成的光源36被置于一個(gè)石英冷卻夾套34內(nèi)，該石英夾套可以通冷卻水對(duì)光源進(jìn)行冷卻，或通1mol·L-1的NaNO2溶液以冷卻光源并濾掉400nm以下波長(zhǎng)的光；其電源線入口為310，在異步電機(jī)31帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，異步電機(jī)由電機(jī)控制部控制轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)；冷卻水或1mol·L-1NaNO2由進(jìn)水口(38)進(jìn)入，然后由出水口37經(jīng)乳膠管進(jìn)入石英冷卻夾套34的進(jìn)水口35，然后由石英冷卻夾套34的出水口312經(jīng)乳膠管進(jìn)入311，最后從出水口39出去。
圖中石英反應(yīng)器(33，313)為均勻分布在光源周圍的多個(gè)10～500ml石英反應(yīng)器中的兩個(gè)(其它未畫出，本實(shí)施例為6個(gè)石英反應(yīng)器)，它們被固定在用1mm鋼板做成的圓筒上，它們底部放置有磁力攪拌電機(jī)32、314。
氣體檢測(cè)部分如圖4所示，首先把8個(gè)球閥44-411都打開，用真空泵對(duì)管路抽真空，然后關(guān)閉球閥411，打開氮?dú)馄?，?duì)管路通氮?dú)猓缓箨P(guān)閉球閥410，打開球閥411，再對(duì)管路抽一次真空，以充分除去管路中的氧氣，然后關(guān)閉球閥44-49；石英反應(yīng)器1-6中產(chǎn)生的氣體經(jīng)管路系統(tǒng)42，分別獨(dú)立地被導(dǎo)入如圖7所示的對(duì)應(yīng)的Pd/WO3薄膜玻璃板點(diǎn)上。
本發(fā)明測(cè)評(píng)裝置的第一個(gè)特點(diǎn)是電機(jī)控制部分由磁力攪拌電機(jī)、異步電機(jī)、調(diào)速器、正反轉(zhuǎn)控制器、繼電器、變壓器組成，調(diào)速器通過(guò)繼電器與異步電機(jī)連接，正反轉(zhuǎn)控制器通過(guò)繼電器與異步電機(jī)連接，磁力攪拌電機(jī)通過(guò)變壓器與電源連接；異步電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)軸與石英冷氣水夾套連接。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，本發(fā)明利用廉價(jià)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了在磁力攪拌的條件下同時(shí)進(jìn)行多組光催化分解水制氫反應(yīng)。
本發(fā)明的測(cè)評(píng)裝置的第二個(gè)特點(diǎn)是光反應(yīng)部分由光源、石英冷卻水夾套、石英反應(yīng)器、圓形外殼、圓筒及帶冷卻水進(jìn)出口和電源線入口的圓筒蓋組成，石英冷卻水夾套被固定在異步電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，汞燈(或氙燈或鹵鎢燈或金屬鹵素?zé)?置于石英冷卻水夾套里面，汞燈(或氙燈或鹵鎢燈或金屬鹵素?zé)?電源線由圓筒蓋接入，圓筒蓋上面的冷卻水進(jìn)出口通過(guò)管子與石英冷卻水夾套上的冷卻水進(jìn)出口相連接，石英反應(yīng)器放置在被固定于圓形外殼上的反應(yīng)器套上，反應(yīng)器套均勻分布在光源周圍。由于商業(yè)汞燈(或氙燈或鹵鎢燈或金屬鹵素?zé)?本身的發(fā)光空間分布不均和石英冷卻水夾套的吸光強(qiáng)度不均，在同一時(shí)間光源周圍光強(qiáng)分布是不同的，本發(fā)明通過(guò)讓石英冷卻夾套跟光源一起轉(zhuǎn)動(dòng)以及圓形外殼的設(shè)計(jì)，很好地解決了光強(qiáng)分布不均問(wèn)題，使得各個(gè)反應(yīng)器受光相同；由于光源轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使得冷卻水進(jìn)出管以及電源線絞合，本發(fā)明通過(guò)控制石英冷卻夾套跟光源一起正反轉(zhuǎn)以及圓筒蓋的設(shè)計(jì)很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。
本發(fā)明裝置的第三個(gè)特點(diǎn)是氣體檢測(cè)部分由管路系統(tǒng)42和有機(jī)玻璃夾子43組成，從石英反應(yīng)器1-6出來(lái)的管子經(jīng)過(guò)分叉，一路與有機(jī)玻璃夾子上的孔71-76相連接，另一路與球閥44-49連接，球閥44-49另一端與圓管412連接，圓管412與球閥410、411連接，球閥410與氮?dú)馄窟B接，球閥411與真空泵連接，其中各管路中管子的長(zhǎng)短與粗細(xì)程度相同，以保證各石英反應(yīng)器對(duì)應(yīng)的空間體積一樣。如圖5所示，有機(jī)玻璃夾子由上夾板51、下夾板52、兩通53組成，如圖六所示，上夾板51開有一個(gè)梯型體槽，如圖7所示，梯型體槽不僅有利于玻璃板膜的受力，還可以在槽內(nèi)放加熱板對(duì)玻璃板進(jìn)行加熱控溫，以方便觀察膜的變色情況，下夾板中間開有六個(gè)孔，孔上粘有密封圈，孔與兩通53連接，兩通53直接和管路連接。鍍有Pd/WO3膜的玻璃板就可以被密封地夾在有機(jī)玻璃夾子中，實(shí)現(xiàn)了用一塊鍍膜玻璃板同時(shí)檢測(cè)六種光催化劑。本發(fā)明通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了利用簡(jiǎn)易量少的材料達(dá)到了能對(duì)管路系統(tǒng)抽真空，且能使各石英反應(yīng)器對(duì)應(yīng)的管路獨(dú)立，同時(shí)保證各石英反應(yīng)器對(duì)應(yīng)的管路空間體積一樣的要求。
本發(fā)明的測(cè)評(píng)裝置第四個(gè)特點(diǎn)是Pd/WO3膜的制備采用已公開文獻(xiàn)Sensors and Actuators B50(1998)234-245報(bào)導(dǎo)的《用溶膠—凝膠法制備的Pd/WO3薄膜的氣致變色效應(yīng)》(Gasochromic effect of palladium dopedperoxopolytungstic acid films prepared by the sol-gel route)制備Pd/WO3膜的方法，把20ml H2O2(30％)加入5g鎢粉中，室溫下磁力攪拌6個(gè)小時(shí)，直到鎢粉全被溶解。然后40℃水浴(或Pt網(wǎng))除去過(guò)量的H2O2，隨后加入38ml無(wú)水乙醇，80℃水浴加熱直到溶膠從乳白色變?yōu)槿闋畹木G黃色，抽濾，離心分離，得到青黃色透明液體，加入0.1152g PdCl2，磁力攪拌讓PdCl2充分溶解，反應(yīng)液顏色變?yōu)樯詈稚?，然后保存?25℃的冰柜中；鍍膜時(shí)抽取3ml制好的溶膠滴在玻璃板上，玻璃板先放在酸中超聲振蕩20分鐘，然后在堿液中超聲振蕩20分鐘，最后在去離子水中超聲振蕩20分鐘，晾干后用來(lái)鍍膜，等膜干后在膜表面上涂布一層聚氨脂保護(hù)膜。本發(fā)明利用廉價(jià)的方法制備了Pd/WO3氫敏膜。
本發(fā)明的測(cè)評(píng)裝置第五個(gè)特點(diǎn)是在實(shí)驗(yàn)條件完全相同的情況下同時(shí)進(jìn)行多個(gè)光催化反應(yīng)，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)不同化合物的光催化分解水制氫性能進(jìn)行同時(shí)評(píng)測(cè)，由于所評(píng)測(cè)的化合物處于相同的反應(yīng)條件，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性高。同時(shí)極大地提高了單位時(shí)間單位空間內(nèi)的化合物光催化制氫性能的評(píng)測(cè)與篩選效率。
申請(qǐng)人在各石英反應(yīng)器中加入10～500mlNa2S、Na2SO3溶液，再加入不同量的CdS，進(jìn)行產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)裝置能很好地達(dá)到預(yù)期目的和效果；圖8為薄膜變色程度(透過(guò)率)與CdS量的關(guān)系曲線，圖9為薄膜變色掃描圖。實(shí)驗(yàn)條件如下

以下是發(fā)明人給出的實(shí)施例。
圖1是本發(fā)明裝置的一個(gè)實(shí)施例的方框圖。圖2、圖3和圖4分別對(duì)應(yīng)圖1中的電機(jī)控制部分、光反應(yīng)部分和氣體檢測(cè)部分。先通過(guò)氣體檢測(cè)部分對(duì)管路抽真空，把圖4所示的球閥44、45、46、47、48、49、410、411打開，用真空泵對(duì)管路抽真空，然后關(guān)閉球閥411，通氮?dú)猓又P(guān)閉閥(410)，打開球閥411，再抽一次真空，最后把球閥44-49關(guān)閉，使每個(gè)石英反應(yīng)器對(duì)應(yīng)的管路成真空狀態(tài)。然后控制部中的磁力攪拌電機(jī)和異步電機(jī)在電機(jī)控制部控制下進(jìn)行工作，磁力攪拌電機(jī)帶動(dòng)石英反應(yīng)器中的磁子攪拌，異步電機(jī)帶動(dòng)光源以1r/min的速度正反轉(zhuǎn)。接著給光源通電，給石英冷卻水夾套通冷卻水，反應(yīng)開始。石英反應(yīng)器中產(chǎn)生的氣體通過(guò)管路被引導(dǎo)到相對(duì)應(yīng)的有機(jī)玻璃夾子(圖5)中鍍有Pd/WO3薄膜玻璃板的點(diǎn)上。最終產(chǎn)生的氫氣因其量的不同在Pd/WO3薄膜玻璃板上形成六個(gè)顏色深淺不同的藍(lán)點(diǎn)，通過(guò)紫外可見分光光度計(jì)對(duì)六點(diǎn)藍(lán)點(diǎn)進(jìn)行吸光度測(cè)定，根據(jù)各自吸光度的大小確定每個(gè)反應(yīng)器中產(chǎn)氫量的大小，并由此分析得到每個(gè)反應(yīng)器中所加催化劑的光催化性能。
當(dāng)然，根據(jù)不同的需求選取的石英反應(yīng)器可以是多個(gè)，均勻設(shè)置在光源的周圍，同樣可以達(dá)到上述目的。
本裝置與色譜或紫外光譜儀聯(lián)用，還可以用于光催化劑光降解污染物性能的評(píng)測(cè)研究。
權(quán)利要求
1.一種多通道光解制氫催化劑性能快速評(píng)測(cè)裝置，其特征在于，包括一圓筒型狀的光反應(yīng)系統(tǒng)，在光反應(yīng)系統(tǒng)的中央設(shè)置一由異步電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的光源，光源置于一個(gè)石英夾套內(nèi)，在石英夾套通入冷卻水或1mol·L-1的NaNO2溶液對(duì)光源進(jìn)行冷卻，并濾掉400nm以下波長(zhǎng)的光；圍繞光源的周圍均勻分布設(shè)置有多個(gè)石英反應(yīng)器，每個(gè)石英反應(yīng)器配置有磁力攪拌電機(jī)，各石英反應(yīng)器通過(guò)管路被引出光反應(yīng)器，各石英反應(yīng)器所對(duì)應(yīng)的管路內(nèi)的體積相同，管路與氮?dú)馄亢驼婵毡眠B通，各管路的出口一一對(duì)應(yīng)于鍍有Pd/WO3薄膜玻璃板上的相應(yīng)點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的多通道光解制氫催化劑性能快速評(píng)測(cè)裝置，其特征在于，所述異步電機(jī)帶有繼電器、調(diào)速器和正反轉(zhuǎn)控制器，用于控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的多通道光解制氫催化劑性能快速評(píng)測(cè)裝置，其特征在于，所述光源設(shè)置在異步電機(jī)上方，通過(guò)控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使各石英個(gè)反應(yīng)器受光相對(duì)均勻。
4.如權(quán)利要求1所述的多通道光解制氫催化劑性能快速評(píng)測(cè)裝置，其特征在于，所述光源是汞燈或氙燈或鹵鎢燈或金屬鹵素?zé)簟?br> 5.如權(quán)利要求1所述的多通道光解制氫催化劑性能快速評(píng)測(cè)方法，其特征在于，所述石英反應(yīng)器的規(guī)格為10ml～500ml。
6.如權(quán)利要求1所述的多通道光解制氫催化劑性能快速評(píng)測(cè)方法，其特征在于，所述Pd/WO3薄膜玻璃板夾在有機(jī)玻璃夾子中，并使各管路的出口與Pd/WO3薄膜玻璃板密封。
7.如權(quán)利要求1所述的多通道光解制氫催化劑性能快速評(píng)測(cè)方法，其特征在于，所述有機(jī)玻璃夾子的上板開有梯型體槽，在槽內(nèi)還可以放置用于對(duì)Pd/WO3薄膜玻璃板進(jìn)行加熱控溫的加熱板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多通道光解制氫催化劑性能快速評(píng)測(cè)裝置，包括一圓筒型狀的光反應(yīng)器，在光反應(yīng)器的中央設(shè)置一由異步電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的光源，圍繞光源的周圍均勻分布設(shè)置有多個(gè)石英反應(yīng)器，每個(gè)石英反應(yīng)器配置有磁力攪拌電機(jī)，各石英反應(yīng)器通過(guò)管路被引出光反應(yīng)器，各石英反應(yīng)器所對(duì)應(yīng)的管路內(nèi)的體積相同，管路上還設(shè)置有氮?dú)馄亢驼婵毡?，各管路的出口一一?duì)應(yīng)于鍍有Pd/WO
文檔編號(hào)G01N21/78GK1570612SQ20041002610
公開日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2004年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月10日
發(fā)明者郭烈錦, 延衛(wèi), 張西民, 程鵬, 許云波 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)