傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)主要是通過(guò)加熱的方式活化反應(yīng)物，為反應(yīng)體系提供跨越熱力學(xué)能壘的能量,，促使反應(yīng)物向產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化,。在熱催化體系中，反應(yīng)物分子在催化劑表面吸附活化,，改變化學(xué)反應(yīng)路徑、從而降低反應(yīng)活化能使反應(yīng)容易進(jìn)行。而光催化則是利用光子的能量來(lái)催化反應(yīng),，反應(yīng)機(jī)理和路徑與熱催化截然不同,，反應(yīng)條件溫和，易操作,。
近幾年來(lái),，伴隨著催化研究的逐漸深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)光熱協(xié)同催化既可以提高催化反應(yīng)的效率,，又能將低密度的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏鹊幕瘜W(xué)能,，兩者的有效結(jié)合可以超越單獨(dú)熱催化和光催化所能達(dá)到的效果，而且通過(guò)改變反應(yīng)條件,，可以調(diào)控反應(yīng)的活性和選擇性,，在能源和環(huán)境領(lǐng)域具有不可估量的價(jià)值，是當(dāng)前新型催化技術(shù)的研究焦點(diǎn),。
但是由于在傳統(tǒng)的管式爐熱催化反應(yīng)裝置中,，催化劑裝填在管式爐的爐芯位置，主要采用在爐芯處開孔,，將光源從管式爐側(cè)面引入,，主要有以下三種反應(yīng)模式：
圖1.三種反應(yīng)模式
此類反應(yīng)模式雖然實(shí)現(xiàn)了光熱協(xié)同催化，但是側(cè)開孔破壞了爐體的加熱結(jié)構(gòu),，使得催化劑受熱不均,，且為了盡量減小熱損失，光窗直徑通常在1~2 cm,，遠(yuǎn)小于光源的光斑直徑(50 cm),，光源輸出光的利用效率很低，影響光熱協(xié)同催化效果,。
1,、 提高光源輸入到裝置中的光能
提高光源輸入到裝置中的光能有兩個(gè)策略：
①提高光源光功率;
②增大裝置的受光面積。
泊菲萊科技推出的PLS-SME300E H1 氙燈光源采用全新的增效導(dǎo)光結(jié)構(gòu),，減少光能傳輸損失的同時(shí),，可將光源輸出的大部分能量聚焦在光斑中心區(qū)域，有效提高光源中心區(qū)域的光功率;同時(shí)PLR-RP系列光熱催化反應(yīng)評(píng)價(jià)裝置將入光口光窗直徑由傳統(tǒng)的1 cm提升到了3 cm,，受光面積提升了9倍,。在不改變傳統(tǒng)熱催化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，保證了光源輸出光能最大化的進(jìn)入到反應(yīng)裝置中,。
圖2.(a)PLS-SME300E H1 氙燈光源;(b)PLS-SME300E H1氙燈光源內(nèi)部增效導(dǎo)光結(jié)構(gòu)示意圖.
2,、 減少光子在光源傳遞到催化劑表面過(guò)程中的光損失
為了不破壞傳統(tǒng)熱催化裝置反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，保證熱催化裝置溫度的均勻性和穩(wěn)定性,，PLR-RP系列光熱催化反應(yīng)評(píng)價(jià)裝置摒棄了市面現(xiàn)有的側(cè)開口結(jié)構(gòu),，采用全新的頂部開口結(jié)構(gòu)，將光從頂部引入到反應(yīng)裝置中,。同時(shí)為了避免因頂部開口光照導(dǎo)致光程距離長(zhǎng)而造成傳輸過(guò)程中的光損失,，PLR-RP系列光熱催化反應(yīng)評(píng)價(jià)裝置新增石英導(dǎo)光柱的光傳導(dǎo)方式,。石英導(dǎo)光柱結(jié)構(gòu)的引入顯著提高了光傳導(dǎo)效率，實(shí)測(cè)高達(dá)82%,，有效避免因光程長(zhǎng)帶來(lái)的光傳輸損失,，優(yōu)于光程短的側(cè)開口結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器。
圖3.左為傳統(tǒng)側(cè)照式,，右為創(chuàng)新頂照式.
3、 增大催化劑的受光面積,，提高光子的利用率
由于固體催化劑的透光性較差,，當(dāng)催化劑床層過(guò)厚時(shí)，底層催化劑吸收不到光子,，會(huì)降低催化劑對(duì)光子的吸收率,。PLR-RP系列光熱催化反應(yīng)評(píng)價(jià)裝置推出的平照式反應(yīng)器推薦的催化劑最大床層厚度為3 mm，此時(shí)最大的催化劑裝填量為0.9 mL;當(dāng)催化劑裝填量>0.9 mL時(shí),，可選用環(huán)照式反應(yīng)器,，搭配特殊設(shè)計(jì)的側(cè)發(fā)光石英光柱，在保證催化劑裝填厚度≤3 mm的同時(shí),，催化劑的裝填量最大可達(dá)9 mL,。此時(shí)催化劑的受光面積也可以由平照的0.3 cm2，提升到約20 cm2,，催化劑的受光面積提升近70倍,，大幅提高催化劑對(duì)光子的利用效率。
圖4.PLR-RP系列光熱催化反應(yīng)評(píng)價(jià)裝置獨(dú)有的創(chuàng)新環(huán)照式反應(yīng)器.
為了保證側(cè)發(fā)光的均勻性,，泊菲萊科技也對(duì)導(dǎo)光柱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真模擬設(shè)計(jì)，最終通過(guò)實(shí)際測(cè)算發(fā)光均勻性高達(dá)73%,，優(yōu)于傳統(tǒng)氙燈光源的發(fā)光均勻性,。保證了不同裝填位置催化劑的活性均勻性。
圖5.石英導(dǎo)光柱優(yōu)化前(左)及優(yōu)化后(右)50 mm區(qū)域內(nèi)光照均勻性仿真模擬圖
4,、 減少光源的發(fā)散,，降低光斑的無(wú)效照射面積
提高光源輸入到裝置的光能以后，同時(shí)也得提高催化劑對(duì)光源的吸收效率,。如下圖所示以平照式反應(yīng)為例,，光源與催化劑間隔位置太遠(yuǎn)時(shí)，部分光源無(wú)法照射到催化劑表面,，造成光能的浪費(fèi);而光源距離催化劑過(guò)近時(shí),，光斑無(wú)法完全覆蓋催化劑，造成部分催化劑未被光子激發(fā),，降低催化劑的表觀催化效率,。PLR-RP系列光熱催化反應(yīng)評(píng)價(jià)裝置結(jié)合石英導(dǎo)光柱的出光發(fā)射角以及催化劑床層的面積,，精準(zhǔn)計(jì)算了石英導(dǎo)光柱和催化劑的距離,，保證最大程度的輸入光利用效率和催化劑利用效率,。
圖6.光源與催化劑距離對(duì)光利用效率影響的示意圖
泊菲萊科技充分運(yùn)用17年來(lái)在光催化反應(yīng)裝置設(shè)計(jì)上積累的經(jīng)驗(yàn)，從光源的引入,，光在反應(yīng)器中的傳輸,，光與催化劑的接觸，光斑面積與催化劑面積匹配等四個(gè)方面做了大量的仿真模擬與實(shí)測(cè),，摒棄了市面現(xiàn)有側(cè)發(fā)光反應(yīng)爐結(jié)構(gòu),，推出了全新的頂部開口結(jié)合石英導(dǎo)光柱結(jié)構(gòu)的PLR-RP系列光熱催化反應(yīng)評(píng)價(jià)裝置，只為打造光能利用效率最高的光熱協(xié)同催化反應(yīng)裝置,。
