传统化学反应主要是通过加热的方式活化反应物，为反应体系提供跨越热力学能垒的能量，促使反应物向产物的转化。在热催化体系中，反应物分子在催化剂表面吸附活化，改变化学反应路径、从而降低反应活化能使反应容易进行。而光催化则是利用光子的能量来催化反应，反应机理和路径与热催化截然不同，反应条件温和，易操作。
近几年来，伴随着催化研究的逐渐深入，科学家们发现光热协同催化既可以提高催化反应的效率，又能将低密度的太阳能转变为高密度的化学能，两者的有效结合可以超越单独热催化和光催化所能达到的效果，而且通过改变反应条件，可以调控反应的活性和选择性，在能源和环境领域具有不可估量的价值，是当前新型催化技术的研究焦点。
但是由于在传统的管式炉热催化反应装置中，催化剂装填在管式炉的炉芯位置，主要采用在炉芯处开孔，将光源从管式炉侧面引入，主要有以下三种反应模式：
图1.三种反应模式
此类反应模式虽然实现了光热协同催化，但是侧开孔破坏了炉体的加热结构，使得催化剂受热不均，且为了尽量减小热损失，光窗直径通常在1~2 cm，远小于光源的光斑直径(50 cm)，光源输出光的利用效率很低，影响光热协同催化效果。
1、 提高光源输入到装置中的光能
提高光源输入到装置中的光能有两个策略：
①提高光源光功率;
②增大装置的受光面积。
泊菲莱科技推出的PLS-SME300E H1 氙灯光源采用全新的增效导光结构，减少光能传输损失的同时，可将光源输出的大部分能量聚焦在光斑中心区域，有效提高光源中心区域的光功率;同时PLR-RP系列光热催化反应评价装置将入光口光窗直径由传统的1 cm提升到了3 cm，受光面积提升了9倍。在不改变传统热催化反应器结构的基础上，保证了光源输出光能最大化的进入到反应装置中。
图2.(a)PLS-SME300E H1 氙灯光源;(b)PLS-SME300E H1氙灯光源内部增效导光结构示意图.
2、 减少光子在光源传递到催化剂表面过程中的光损失
为了不破坏传统热催化装置反应器的结构，保证热催化装置温度的均匀性和稳定性，PLR-RP系列光热催化反应评价装置摒弃了市面现有的侧开口结构，采用全新的顶部开口结构，将光从顶部引入到反应装置中。同时为了避免因顶部开口光照导致光程距离长而造成传输过程中的光损失，PLR-RP系列光热催化反应评价装置新增石英导光柱的光传导方式。石英导光柱结构的引入显著提高了光传导效率，实测高达82%，有效避免因光程长带来的光传输损失，优于光程短的侧开口结构的反应器。
图3.左为传统侧照式，右为创新顶照式.
3、 增大催化剂的受光面积，提高光子的利用率
由于固体催化剂的透光性较差，当催化剂床层过厚时，底层催化剂吸收不到光子，会降低催化剂对光子的吸收率。PLR-RP系列光热催化反应评价装置推出的平照式反应器推荐的催化剂最大床层厚度为3 mm，此时最大的催化剂装填量为0.9 mL;当催化剂装填量>0.9 mL时，可选用环照式反应器，搭配特殊设计的侧发光石英光柱，在保证催化剂装填厚度≤3 mm的同时，催化剂的装填量最大可达9 mL。此时催化剂的受光面积也可以由平照的0.3 cm2，提升到约20 cm2，催化剂的受光面积提升近70倍，大幅提高催化剂对光子的利用效率。
图4.PLR-RP系列光热催化反应评价装置独有的创新环照式反应器.
为了保证侧发光的均匀性，泊菲莱科技也对导光柱的结构进行了仿真模拟设计，最终通过实际测算发光均匀性高达73%，优于传统氙灯光源的发光均匀性。保证了不同装填位置催化剂的活性均匀性。
图5.石英导光柱优化前(左)及优化后(右)50 mm区域内光照均匀性仿真模拟图
4、 减少光源的发散，降低光斑的无效照射面积
提高光源输入到装置的光能以后，同时也得提高催化剂对光源的吸收效率。如下图所示以平照式反应为例，光源与催化剂间隔位置太远时，部分光源无法照射到催化剂表面，造成光能的浪费;而光源距离催化剂过近时，光斑无法完全覆盖催化剂，造成部分催化剂未被光子激发，降低催化剂的表观催化效率。PLR-RP系列光热催化反应评价装置结合石英导光柱的出光发射角以及催化剂床层的面积，精准计算了石英导光柱和催化剂的距离，保证最大程度的输入光利用效率和催化剂利用效率。
图6.光源与催化剂距离对光利用效率影响的示意图
泊菲莱科技充分运用17年来在光催化反应装置设计上积累的经验，从光源的引入，光在反应器中的传输，光与催化剂的接触，光斑面积与催化剂面积匹配等四个方面做了大量的仿真模拟与实测，摒弃了市面现有侧发光反应炉结构，推出了全新的顶部开口结合石英导光柱结构的PLR-RP系列光热催化反应评价装置，只为打造光能利用效率最高的光热协同催化反应装置。
Recommended
Solution
