[发明专利]一种光催化反应系统及其在人工固氮过程中的应用

说明书

本发明公开了一种光催化反应系统及其在人工固氮过程中的应用，所述的包括聚光系统、追踪系统、反应系统、控制系统和固定系统；所述的固定系统由基座和固定支架组成；所述的聚光系统包括菲涅尔型聚光器；所述追踪系统包括四象限太阳光传感器、东西追踪电机、仰角升降电机、分别控制所述东西追踪电机和仰角升降电机驱动的电机驱动控制器、东西追踪支架、仰角升降支架及开关电源；所述反应系统包括反应器及反应器升降支架；接通开关电源，所述的四象限太阳光接收器会根据天空中不同区域的光线强弱，判断太阳的具体位置，驱动东西追踪电机和仰角升降电机带动聚光系统和反应系统跟随太阳运动，使得聚焦后的光斑精确照射在反应器内的催化剂上。

技术领域

本发明涉及光催化反应装置领域，具体为一种能够较好地适用于人工固氮反应的光催化系统。

背景技术

太阳能作为取之不尽用之不竭的可再生能源，每小时到达地球的能量足以满足人类一年的能源消耗。从某种意义上来说，应进一步加快太阳能资源的开发与利用。但地球与太阳相距甚远，辐射到地球表面的太阳能能量密度较低(1000W/m²)，且不稳定不连续，使得太阳能资源的直接利用效率较低，造成了巨大的资源浪费。当前，人们正努力将太阳能的利用方式由直接向间接方式转变。在各种太阳能间接利用方式中，人工固氮是具有代表性的过程之一。人工固氮是通过化学方法将空气中的氮气转化为氨的过程，是自然界中最主要的生命现象之一。

大气中的氮气含量占空气组成的72％，但绝大多数的植物并不能直接利用空气中的氮气，通常要经过生物固氮将空气中的氮气转化为植物可直接利用的氮，然而在自然界中这种生物(如豆科植物等)很少，生物固氮仍富含挑战性，有待于进一步展开研究。当前，人类社会所需的氨主要来自于人工合成氨过程，且世界合成氨能力已达到年产亿吨的水平。但现有工业合成氨过程需要高温、高压以及氢气的存在，不仅消耗能源而且造成了一定程度的污染环境。因此，迫切需要寻找一种绿色清洁、低能耗的固氮工艺来代替高能耗的工业固氮过程，缓解现有工业固氮产氨耗能高、环境污染严重的问题。由此，电催化固氮和光催化固氮引起了全球学者的广泛关注，其中以光催化固氮最引人瞩目。光催化固氮是利用半导体光催化剂对光的响应，将氮气转化为氨气和氧气的过程，其反应方程如下所示：

事实上，人工固氮的历史可追溯于上世纪70年代。1977年Guth等人发现在掺杂Fe的粉末上可以发生光催化固氮的还原反应，自此人工固氮应运而生，受到了众多学者的关注，并在实验室规模上做了大量的研究工作。但经过40多年的探究和发展，人工固氮技术仍然没有突破工业化应用的瓶颈。众所周知，当前用做光催化的材料(如TiO₂等)大多是宽禁带半导体，仅对385nm下的紫外区有响应。而照射到地面的太阳光谱中这部分光不足5％，且TiO₂的量子效率不高于20％，因此太阳能的利用效率仅在1％左右，太阳能利用率较低。

此外，在常温自然光条件下进行人工固氮反应，意味着太阳能场(Solar farm)有多大，反应器和催化剂规模也就有多大。反应器、催化剂的成本以及反应物分布和产物收集等均会给该过程的应用带来巨大的挑战。再者，太阳能的低能量密度也会限制反应产物的量，加剧后续工艺处理的难度。

发明内容

本发明针对当前人工固氮反应系统一般只适用于模拟光源和常温常压反应的问题，提供了一种以真实太阳光为光源的聚光光催化反应系统，采取高倍聚光的方法，提高单位催化剂表面的入射光强，同时利用太阳光中的长波光线将反应装置加热到高温，从而充分利用不同波长的太阳光能量，提高光催化能量转化效率。

为达成目标，本发明提供的技术方案如下：

一种光催化反应系统，包括聚光系统、追踪系统、反应系统、控制系统和固定所述聚光系统、追踪系统、反应系统、控制系统的固定系统；所述的固定系统由基座和固定支架组成；

所述的聚光系统包括菲涅尔型聚光器，所述的菲涅尔型聚光器固定于所述的支撑架上；