一種基於磁性顆粒的光熱磁耦合產氫實驗裝置的製作方法
2023-05-11 20:09:26
本發明屬於新能源製備領域，具體涉及一種基於磁性顆粒的光熱磁耦合產氫實驗裝置。
背景技術：
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近年來，全球面臨著能源危機和環境汙染的嚴峻挑戰，尋求潔淨、綠色、可持續的新型能源已經迫在眉睫。新興的半導體光催化技術，為我們提供了一種利用催化劑粉末通過太陽光照在水中直接產生氫氣的方法。由於太陽能取之不盡用之不竭，而氫能又是綠色、燃燒值高、無汙染、可循環利用的理想能源，所以通過光解水制氫是一種解決能源問題的有效途徑。
光催化分解水制氫的反應機理建立在半導體能帶理論的基礎上。以半導體材料為光催化劑，當其受到能量相當或高於該半導體禁帶寬度的光照時，半導體內的電子受到激發從價帶躍遷到導帶，在導帶和價帶分別產生自由電子和和空穴，並利用這種光生電子-空穴對的氧化還原性將水分解，產生氫氣和氧氣。目前常用的光催化半導體材料多為光響應材料，即能在光照下分解水的半導體材料，例如TiO2、InVO4、Bi2MNbO7等。因此實驗室常用的光催化產氫實驗裝置多為將反應器皿置於氙燈光照下，通過磁力攪拌器使置於器皿內磁子連續攪拌，實現催化劑顆粒在反應器內懸浮的簡單儀器。最近，有關研究發現懸浮在水中的磁性催化劑顆粒如Fe2O3、Fe3O4等，在近紅外光照下施以磁場能夠產生很高的發熱量，這可能對產氫的效率有很大的提升。鑑於在現有的實驗裝置中，加入的磁性催化劑顆粒會被吸附在磁子表面，而且有一部分會沉積在器皿底部，不能達到均勻的懸浮狀態，這會對實驗有很大的影響。這樣，導致現有的實驗裝置不能對反應體系同時施加磁場、光場和熱場，因此提供不了理想的耦合場實驗條件，所以需要設計新的實驗裝置來解決上述問題。
技術實現要素：
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本發明的目的在於提供一種基於磁性顆粒的光熱磁耦合產氫實驗裝置，利用此裝置可對一系列的磁性催化劑顆粒進行各種實驗研究。
為達到上述目的，本發明採用如下技術方案來實現：
一種基於磁性顆粒的光熱磁耦合產氫實驗裝置，包括基座，設置在基座上的電加熱板，設置在電加熱板上方的磁場發生器，設置在電加熱板周向上相對兩個側面的兩個鏡面反射面板，設置在兩個鏡面反射面板相鄰一面的電流通斷自動控制及溫度控制器，以及設置在兩個鏡面反射面板相鄰另一面的光源；其中，工作時，電流通斷自動控制及溫度控制器用於對電加熱板、磁場發生器進行控制，試樣放置在由電加熱板、兩個鏡面反射面板及電流通斷自動控制及溫度控制器圍成的空間內。
本發明進一步的改進在於，試樣通過反應器皿放置在由電加熱板、兩個鏡面反射面板及電流通斷自動控制及溫度控制器圍成的空間內。
本發明進一步的改進在於，基座上開有槽式平面，用來放置反應器皿及電加熱板。
本發明進一步的改進在於，基座上固定有兩根固定支撐杆，用來固定磁場發生器。
本發明進一步的改進在於，磁場發生器為一體化結構，其將直流電磁線圈封裝在保護殼內，且直流電磁線圈中的電流大小及電流通斷時間由電流通斷自動控制及溫度控制器來控制。
本發明進一步的改進在於，在磁場發生器與固定支撐杆套裝的部分開設有用於調節磁場發生器高度的螺紋孔。
本發明進一步的改進在於，基座的邊緣開有矩形槽，用來放置兩個鏡面反射面板。
本發明進一步的改進在於，電流通斷自動控制及溫度控制器的迎光面安裝有鏡面反射面板。
本發明進一步的改進在於，電流通斷自動控制及溫度控制器的迎光面開設有用來安裝鏡面反射面板的鏡面反射面板卡槽。
本發明進一步的改進在於，光源採用氙燈或紫外燈。
相對於現有技術，本發明具有下列優點與效果：
1、本發明為目前新興的磁性光催化顆粒提供一種可以耦合磁場、光場、熱場的多物理場的實驗裝置，為科研工作者對磁性光催化顆粒的性質做進一步的科學研究提供實驗裝置。本發明可用電流通斷自動控制器產生間歇性極性相反的脈衝磁場，磁場發生器的位置、磁場的大小、脈衝的時間均可根據實驗需要人為設定。也可產生恆定的磁場。光源可選擇現有的儀器，最大程度上利用現有資源。鏡面反射面板的設置既能增大光線利用率又能防止控制器背面迎光面溫度過高。加熱板為電加熱方式，可由溫度控制器控制恆溫加熱，安全方便。
2、反應器皿放置在由電加熱板、兩個鏡面反射面板和電流通斷自動控制及溫度控制器圍成的空間內，由於四周鏡面反射的作用，使得最大程度地提高了光源的利用率。
3、本發明在基座上開有放置電加熱板及反應器皿的槽式平面，具有固定電加熱板、防止滑動的優點。
4、基座上固定有兩個支撐杆，磁場發生器可沿支撐杆上下滑動，並通過配套的螺杆進行固定，操作簡單，具有靈活方便地根據反應器皿的高度調節磁場發生器相對位置的優點。
5、磁場發生器封裝在保護殼內，方便安裝。磁場由電磁線圈提供，磁場大小由電流大小控制，操作簡單。上下兩個磁場發生器磁場極性相反，並由控制器實現間歇性通斷，交替產生向上和向下的磁場，使反應器皿中的磁性顆粒上下交替運動，達到充分擴散、充分接觸液體的作用，達到最佳的實驗條件。
6、在磁場發生器與固定支撐杆接觸的部分開有螺紋孔，用配套的螺杆固定磁場發生器，具有操作方便、省時省力的優點。
7、在基座上開有放置鏡面反射面板的卡槽，鏡面反射面板可沿卡槽推拉移動，方便進行安裝和拆卸，相對於傳統固定式的反射板，具有安裝便捷、靈活更換面板及靈活改變位置的優點。同時鏡面反射面板可以提高光源的利用率。
8、電流通斷自動控制及溫度控制器的迎光面同樣設置有鏡面反射面板，具有防止控制器受照射溫度過高遭到損壞的功能。
9、本發明可靈活地根據實驗所需選擇現有的光源設備，如氙燈、紫外燈等，具有最大程度利用現有資源的優點。
附圖說明：
圖1為本發明的結構示意圖。
圖中：1為基座，2為電流通斷自動控制及溫度控制器，3為磁場發生器，4為固定支撐杆，5為鏡面反射面板卡槽，6為鏡面反射面板，7為電加熱板，8為螺紋孔，9為迎光面，10為光源。
具體實施方式：
以下結合附圖通過具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
如圖1所示，本發明提供的基於磁性顆粒的光熱磁耦合產氫實驗裝置，包括基座1、電流通斷自動控制及溫度控制器2、磁場發生器3、電加熱板7和光源10。其具體是：基座1上固定有兩個固定支撐杆4，磁場發生器3由直流電磁線圈封裝在保護殼內構成，通過導線與電流通斷自動控制及溫度控制器2連接。兩個一體化的磁場發生器3套在固定支撐杆4上，可根據反應器皿的高度沿固定支撐杆4上下滑動調節位置。磁場發生器3在與固定支撐杆4接觸處開有螺紋孔8，可用配套的螺杆進行固定磁場發生器3。磁場發生器3產生的磁場大小由電流通斷自動控制及溫度控制器2改變電流的大小來控制。上下兩個磁場發生器3的極性相反，電流通斷自動控制及溫度控制器2可以控制流過磁場發生器3的電流為間歇性的電流，這樣就能產生交替的間歇性磁場，使反應器皿中的磁性顆粒能夠上下運動，達到很好的分散效果。也可調整磁場發生器的位置和磁場大小，讓磁場持續作用於反應體系，使磁性催化劑顆粒保持懸浮狀態。
光源10可根據實驗需求選擇氙燈、紫外燈等現有的設備，最大程度利用現有資源。為了增加光的利用率和防止控制器迎光面9溫度過高，在器皿四周設有鏡面反射面板6，材料為有機玻璃表面壓制鋁膜，並在鋁膜表面鍍有氧化鋁鍍層。為了便於鏡面反射面板的安裝與拆卸，在基座邊緣開有鏡面反射面板卡槽5，鏡面反射面板6可在鏡面反射面板卡槽5內滑動，方便改變位置。
電加熱板7由電流通斷自動控制及溫度控制器2控制，直接在反應器皿底部加熱，用於提供反應體系所需的熱量，方便快捷，易於操作。
實驗時，將盛有反應液的器皿置於基座槽式平臺中央，按照器皿的高度調整好磁場發生器的位置並固定。根據實驗所需的溫度設置好電加熱器的溫度。通過電流通斷自動控制及溫度控制器調節電流大小和通斷周期，觀察器皿中的磁性催化劑顆粒是否有明顯的上下交替運動現象，直到達到滿意的狀態為止。若實驗需要恆定磁場，則可調節磁場發生器的位置和磁場大小，讓磁場持續作用於反應體系，使磁性催化劑顆粒保持懸浮狀態。經過我們初步試驗表明，對於Fe3O4納米催化劑顆粒，在磁場、光場和熱場耦合的實驗條件下，與不加磁場相比，產氫效率可提升兩倍，由此說明本發明對進一步研究磁性催化劑顆粒有很大的價值。