一种微等离子体气固催化反应装置

技术领域

本发明涉及催化反应器领域，具体涉及一种微等离子体条件下气体与催化剂相结合的气固催化反应装置。

背景技术

目前氮气、二氧化碳、甲烷等气体性质稳定，通过催化反应使其转化为其他产品的反应条件苛刻，例如合成氨反应需要在高温(300–500℃)、高压下(20–30MPa)将N

发明内容

本发明的目的是提供一种微等离子体气固催化反应装置。

为实现上述目的，本发明的一种微等离子体气固催化反应装置采用如下技术方案：一种微等离子体气固催化反应装置，包括反应器，反应器内部具有反应腔，反应器上设置有与反应腔连通的进气口，进气口用于与气源连通以供待反应的气体进入；反应腔中设置有微等离子体电极结构，微等离子体电极结构包括绝缘基体，绝缘基体上设置有至少两个电极用于电离气体形成等离子体；绝缘基体上设置有固体催化剂；反应腔中设置有加热结构；该微等离子体气固催化反应装置还包括向各电极供电的等离子体电源和向加热结构供电的加热电源；反应器上设置有与反应腔连通的真空连接管和出气口，真空连接管连接有真空泵、真空规和压力计，出气口处设置有背压阀，能够调节反应腔中的压力。

所述电极包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极设置于绝缘基体的同一侧面上。

所述电极包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极分别设置于绝缘基体的两个不同侧面上。

所述第一电极和第二电极之间的最短间距为1μm–10mm。

所述电极包括第一电极、第二电极和第三电极，第一电极和第二电极设置于绝缘基体的同一侧面上，第一电极和第三电极分别设置于绝缘基体的两个不同侧面上。

所述加热结构包括陶瓷发热片。

所述绝缘基体由石英和/或硅片组成，加热结构包括设置于绝缘基体上的电加热片。

所述反应器上于微等离子体电极结构的上方设置有窗口，窗口处密封设置有窗片，窗口上方设置有光谱仪，光谱仪透过窗片能够采集微等离子体气固催化反应中紫外-可见光谱、红外光谱。

所述窗片的材料采用石英、蓝宝石、溴化钾、硒化锌、氟化钙或氯化钠中的其中一种。

所述反应器的出气口连接有质谱仪或气相色谱仪。

本发明的有益效果：待反应的气体通过进气口进入反应腔中，连接好电极和等离子体电源，等离子体电源通电使得电极将反应气体电离形成等离子体，结合催化剂，实现气体的微等离子体条件下的催化反应。通过加热结构和加热电源，可以实现不同温度条件下等离子体与催化剂对气体的共同催化作用。通过真空泵和真空规，可以使反应腔中处于不同的真空度环境。当需要反应腔处于常压或正压时，真空泵停止工作，通过气源的压力配合调节背压阀能够使反应腔中的压力大于等于一个大气压，并由压力计进行检测。功能较多，使用方便。

附图说明

图1是本发明的一种微等离子体气固催化反应装置的实施例一的结构示意图；

图2是图1中反应器的结构示意图；

图3是图2中A处的局部放大图；

图4是本发明的一种微等离子体气固催化反应装置的实施例二中的微等离子体电极结构的结构示意图；

图5是本发明的一种微等离子体气固催化反应装置的实施例三中的微等离子体电极结构的结构示意图；

附图标记说明：1、气源；2、等离子体电源；3、加热电源；4、真空泵；5、真空规和压力计；6、反应器；7、反应腔；8、上壳体；9、下壳体；10、进气管；11、电极线管；12、热电偶线管；13、加热线管；14、真空连接管；15、出气管；16、陶瓷发热片；17、微等离子体电极结构；18、窗口；19、窗片；20、绝缘基体；21、第一电极；22、第二电极；23、；固体催化剂；24、第三电极。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的属于只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。

本发明的一种微等离子体气固催化反应装置的实施例一，如图1-图3所示，包括反应器6，反应器内部具有反应腔7，具体地，反应器包括上壳体8和下壳体9，上、下壳体密封连接在一起，上、下壳体的内腔一起围成反应腔。反应器上设置有与反应腔连通的进气口，进气口用于与气源1连通以供待反应的气体进入，气源采用压力气瓶。气源可以为一种或两种以上的气体，例如氮气、氢气、二氧化碳、甲烷、氨气等气体。

反应腔7中设置有微等离子体电极结构17，微等离子体电极结构包括绝缘基体20，绝缘基体上设置有两个电极用于电离气体形成等离子体，两个电极分别为第一电极21和第二电极22，且第一电极和第二电极设置于绝缘基体的同一侧面上。第一电极和第二电极之间的最短间距为1μm–10mm，最短距离是指第一电极和第二电极之间距离最短的地方之间的距离。绝缘基体由石英和硅片组成，第一电极和第二电极固定于绝缘基体上，绝缘基体上于第一电极和第二电极之间设置有固定催化剂23，本实施例中固定催化剂采用涂覆的方式设置于绝缘基体上。

反应腔中设置有加热结构16，本实施例中加热结构为陶瓷发热片。在其他实施例中，加热结构也可以为设置于绝缘基体上的电加热片。该微等离子体气固催化反应装置还包括向各电极供电的等离子体电源2和向加热结构供电的加热电源3。等离子体电源可以为频率1–100kHz，峰值电压0–50kV的交流高压电源，也可以为频率1–100kHz，峰值电压0–50kV的直流脉冲电源，也可以为0–10kV的直流电源。加热结构和加热电源的设置，能在室温到500℃之间条件下完成等离子体与催化剂对气体的共同催化作用。反应器上设置有与反应腔连通的真空连接管14，真空连接管14连接有真空泵4，真空连接管上还设置有真空规和压力计5，出气口处设置有背压阀，可以调节反应腔中的压力。本实施例中可以使反应腔压力在10

反应腔中设置有热电偶，用于实时监测反应腔中的温度。反应腔中，进气口处设置有进气管10，反应器上设置有与反应腔连通的出气口，出气口处设置有出气管15，出气管15连接有质谱仪或气相色谱仪，进行产物检测。反应器上还设置有供连接电极和等离子体电源的线缆穿装的电极线管11，以及供热电偶线缆穿装的热电偶线管12，还有供加热结构的线缆穿装的加热线管13。反应器上于微等离子体电极结构的上方设置有窗口18，窗口处密封设置有窗片19。本实施例中，窗片的材料采用石英、蓝宝石、溴化钾、硒化锌、氟化钙或氯化钠中的其中一种。窗口上方设置有光谱仪，光谱仪透过窗片能够采集微等离子体气固催化反应中紫外-可见光谱、红外光谱。窗片使用石英窗片或蓝宝石窗片，可采集催化剂在微等离子体区域中的紫外和可见光谱；使用溴化钾、硒化锌、氟化钙或氯化钠窗片可采集催化剂在微等离子体区域中的红外光谱。

下面以具体的实验例进行详细说明。

实施例1

1)将合成氨的铁基催化剂粉末涂覆在绝缘基体上，连接在同一侧面内的第一电极和第二电极，两电极间距为1μm，并组成微等离子体电极结构。

2)将微等离子体电极结构放入反应腔中，并将各电极与等离子电源连接好，以及连接好加热结构和加热电源。

3)使用石英窗片的窗口密封反应腔，使微等离子体放电区域正对窗口。

4)通过加热电源对加热结构进行加热，还原催化剂后，调节加热片温度为500℃。

5)氮气、氢气通过进气口进入反应腔，调节出气口阀门开度，使内部压力为常压。

6)将电极片通过电极线连接1–100kHz，峰值电压0–50kV交流高压电源，设置电源频率为10kHz，峰值电压为50kV。

7)将窗口与紫外可见光谱仪连接，进行紫外和可见光谱的采集，在出气口连接质谱进行产物检测。

实施例2

1)将氨分解的铁基催化剂粉末涂覆在绝缘基体上，连接在同一侧面内的第一电极和第二电极，两电极间距为10mm，并组成微等离子体电极结构。

2)将微等离子体电极结构放入反应腔中，并将各电极与等离子电源连接好，以及连接好加热结构和加热电源。

3)使用溴化钾窗片的窗口密封反应腔，使微等离子体放电区域正对窗口。

4)通过加热电源对加热结构进行加热，还原催化剂后，调节加热片温度为500℃。

5)氨气通过进气口进入反应腔，调节出气口阀门开度，使内部压力为常压。

6)将电极片通过电极线连接100kHz，电压50kV脉冲直流电源，设置电源为100kHz，50kV。

7)将窗口与红外光谱仪连接，进行红外光谱的采集，在出气口连接气相色谱进行产物检测。

实施例3

1)将二氧化碳干重整的铂基催化剂粉末涂覆在绝缘基体上，连接不在同一面内的第一电极和第二电极，电极间距为绝缘基体(石英片)，且绝缘基体厚度微10μm，并组成微等离子体电极结构。

2)将微等离子体电极结构放入反应腔中，并将各电极与等离子电源连接好，以及连接好加热结构和加热电源。

3)使用蓝宝石窗片的窗口密封反应腔，使微等离子体放电区域正对窗口。

4)通过加热电源对加热结构进行加热，还原催化剂后，调节加热片温度为300℃。

5)二氧化碳和甲烷通过进气口进入反应腔，调节出气口阀门开度，使内部压力为2000mbar。

6)将电极片通过电极线连接1–100kHz，峰值电压0–50kV交流高压电源，设置电源为1kHz，50kV。

7)将窗口与紫外可见谱仪连接，进行紫外可见光谱的采集，在出气口连接气相色谱进行产物检测。

实施例4

1)将二氧化碳甲烷干重整的镍基催化剂粉末涂覆在绝缘基体上，连接在同一面内的第一电极和第二电极，电极间距为1μm，并组成微等离子体电极结构。

2)将微等离子体电极结构放入反应腔中，并将各电极与等离子电源连接好，以及连接好加热结构和加热电源。

3)使用硒化锌窗片的窗口密封反应腔，微等离子体放电区域正对窗口。

4)通过加热电源对加热结构进行加热，还原催化剂后，调节加热片温度为500℃。

5)二氧化碳和甲烷通过进气口进入反应腔，调节出气口阀门开度，使内部压力为10

6)将电极片通过电极线连接1–100kHz，峰值电压0–50kV交流高压电源，设置电源为10kHz，1kV。

7)将窗口与红外谱仪连接，进行红外光谱的采集，在出气口连接气相色谱进行产物检测。

实施例5

1)将合成氨的铁基催化剂粉末涂覆在绝缘基体上，连接在同一面内的第一电极和第二电极，电极间距为1μm。

2)将微等离子体电极结构放入反应腔中，并将各电极与等离子电源连接好，以及连接好加热结构和加热电源。

3)使用氟化钙窗片的窗口密封反应腔，微等离子体放电区域正对窗口。

4)通过加热电源对加热结构进行加热，还原催化剂后，调节加热片温度为室温。

5)二氧化碳和甲烷通过进气口进入反应腔，调节出气口阀门开度，使内部压力为10

6)将电极片通过电极线连接1–100kHz，峰值电压0–50kV交流高压电源。

7)将窗口与红外谱仪连接，进行红外光谱的采集，在出气口连接气相色谱进行产物检测。

实施例6

1)将合成氨的铁基催化剂粉末涂覆在绝缘基体上，连接在同一面内的第一电极和第二电极，电极间距为1μm，并组成微等离子体电极结构。

2)将微等离子体电极结构放入反应腔中，并将各电极与等离子电源连接好，以及连接好加热结构和加热电源。

3)使用氯化钠窗片的窗口密封反应腔，微等离子体放电区域正对窗口。

4)通过加热电源对加热结构进行加热，还原催化剂后，调节加热片温度为500℃。

5)二氧化碳和甲烷通过进气口进入反应腔，调节出气口阀门开度，使内部压力为10

6)将电极片通过电极线连接1–100kHz，峰值电压0–50kV交流高压电源。

7)将窗口与红外谱仪连接，进行红外光谱的采集，在出气口连接气相色谱进行产物检测。

本发明的一种微等离子体气固催化反应装置的实施例二，如图4所示，与实施例一的区别进在于微等离子体电极结构的结构不同，具体如下：电极包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极分别设置于绝缘基体的两个不同侧面上。

本发明的一种微等离子体气固催化反应装置的实施例三，如图5所示，与实施例一的区别进在于微等离子体电极结构的结构不同，实施例一中微等离子体电极结构为2电极结构，实施例三中微等离子体电极结构为3电极结构，具体如下：电极包括第一电极、第二电极和第三电极，第一电极和第二电极设置于绝缘基体的同一侧面上，第一电极和第三电极分别设置于绝缘基体的两个不同侧面上。

本申请中涉及三种不同结构的微等离子体电极结构，其作用是可以切换放电模式，进行在不同放电模式下催化反应。例如，设置在同一侧面上的两个电极在不同压力下可以得到辉光放电，电弧放电，设置在不同侧面的两个电极，可以实现介质阻挡放电。进一步增加了本申请中装置的使用功能。

在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

根据本说明书的上述描述，本领域技术人员还可以理解如下使用的术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”、“中心”、“纵向”、“横向”、“顺时针”或“逆时针”等指示方位或位置关系的术语是基于本说明书的附图所示的方位或位置关系的，其仅是为了便于阐述本发明的方案和简化描述的目的，而不是明示或暗示所涉及的装置或元件必须要具有所述特定的方位、以特定的方位来构造和进行操作，因此上述的方位或位置关系术语不能被理解或解释为对本发明方案的限制。

另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。