Фотокаталитический элемент реактора
Настоящее техническое решение относится в целом к фотокаталитическим ячейкам реакторов с неподвижным слоем и к способу преобразования, по меньшей мере, одного реактанта с использованием ячейки реактора. Ячейка реактора содержит: оптически прозрачный цилиндрический корпус; первый фитинг, выполненный с возможностью присоединения ячейки реактора на первом конце корпуса по меньшей мере к одному питающему каналу для ввода по меньшей мере одного реактанта; второй фитинг, выполненный с возможностью присоединения ячейки реактора на втором конце корпуса по меньшей мере к одному устройству для вывода по меньшей мере одного продукта каталитического превращения; подложку катализатора, скомпонованную в виде неподвижного слоя, по существу, заполняющего корпус; первый плазмонный фотокатализатор, нанесенный на подложку катализатора. В другом варианте ячейка реактора содержит: корпус, включающий, по меньшей мере, одно устройство впуска, по меньшей мере, одно устройство выпуска и центральную полость; источник света, расположенный в центральной полости; и, по меньшей мере, один плазмонный фотокатализатор на подложке катализатора с неподвижным слоем, расположенном внутри и по существу заполняющем корпус и по существу окружающем центральную полость. В указанных ячейках каждый из по меньшей мере одного плазмонного фотокатализатора содержит катализатор, соединенный с плазмонным материалом, имеющим плазмонную резонансную частоту, для катализа желаемой химической реакции путем максимизации поглощения по меньшей мере заданной длины волны в электромагнитном спектре. Ячейки реакторов выполнены с возможностью применения источника света по длине, по меньшей мере, внутренней части корпуса. Фотокаталитические ячейки обеспечивают улучшения процессов и материалов фотокатализа. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Взаимосвязанные заявки
По настоящей заявке испрашивается приоритет по заявкам США на выдачу патента и ее содержание полностью раскрыто в них, при этом используются следующие ссылки: предварительная заявка на патент США №62/525,301, поданная 27 июня 2017 г., предварительная заявка на патент США №62/525,305, поданная 27 июня 2017 г., предварительная заявка на патент США №62/525,380, поданная 27 июня 2017 г., и предварительная заявка на патент США №62/586,675, поданная 15 ноября 2017 г.
Кроме того, вышеперечисленные заявки включены в следующий документ посредством ссылки: Международная патентная заявка № РСТ/ US18/32375, поданная 11 мая 2018 г., Патентная заявка США №15,977,843, поданная 11 мая 2018, и международная патентная заявка № (подлежит назначению), озаглавленная «Фотокаталитический реактор, содержащий несколько фотокаталитических элементов» и поданная вместе с этой.
Область техники
Настоящее техническое решение относится в целом к фотокаталитическим элементам реактора, включающим корпус и один или более плазмонных фотокатализаторов на подложке катализатора, размещенной в корпусе.
Уровень техники
Промышленные процессы зависят в значительной степени от гетерогенных катализаторов для осуществления с помощью них химических процессов и уменьшения отрицательного воздействия на окружающую среду загрязняющих веществ. Процессы часто зависят от металлических наночастиц, рассредоточенных в развитой поверхности удерживающих их материалов, одновременно повышающих каталитическую активность поверхности и для более рентабельного использования катализаторов (таких как палладий, платина, рутений или родий). Каталитические процессы с
использованием наночастиц из переходных металлов энергетически интенсивны в отношении высоких температур и давлений к каталитической активности. Таким образом, существует потребность эффективных и рентабельных каталитических реакторов и систем.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Авторы изобретения создали эффективные фотокаталитические элементы, в которых используется искусственный или естественный источник света. Фотокаталитические элементы в соответствии с настоящим изобретением могут быть выполнены так, чтобы увеличить поглощение одной или нескольких длин волн и/или способствовать протеканию необходимой химической реакции. Таким образом, описанные фотокаталитические элементы могут быть эффективными и экологически приемлемыми решениями для многих современных промышленных процессов.
Таким образом, один аспект настоящего технического решения обеспечивает элемент реактора, содержащий: оптически прозрачный корпус, включающий, по меньшей мере, одно устройство ввода и, по меньшей мере, одно устройство вывода; и один или несколько плазмонных фотокатализаторов на подложке катализатора, размещенной внутри корпуса, причем плазмонный фотокатализатор содержит катализатор, связанный с плазмонным материалом, например, посредством физического, электронного, термического или оптического соединения. При воздействии источника излучения фотокаталитический элемент реактора обеспечивает возможность превращения, по меньшей мере, одного реактанта в, по меньшей мере, один продукт каталитического превращения.
Другой аспект изобретения характеризует способы использования одной или нескольких описанных фотокаталитических элементов реактора для превращения реактантов. В частности, в описании раскрыты способы превращения, по меньшей мере, одного реактанта в, по меньшей мере, один продукт каталитического превращения. Способ включает: (а) ввод, по
меньшей мере, одного реактанта в фотокаталитический элемент в соответствии с техническим решением; и (b) освещение посредством, по меньшей мере, одного источника света, по меньшей мере, пространства внутри фотокаталитического элемента.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение обеспечивает фотокаталитический элемент реактора, содержащий: корпус, включающий, по меньшей мере, одно устройство ввода, по меньшей мере, одно устройство вывода и центральную полость; источник излучения, расположенный в центральной полости; один или несколько плазмонных фотокатализаторов на подложке катализатора внутри корпуса и в большинстве своем расположенных вокруг центральной полости, при этом плазмонный фотокатализатор содержит катализатор, связанный с плазмонным материалом через физическое, электронное, термическое или оптическое соединение.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи представлены для обеспечения понимания технической сущности способов и устройств, включены в настоящее описание и составляют его часть. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе, и размеры отдельных элементов могут быть изменены для наглядности и/или изображены в более упрощенном виде, чтобы способствовать пониманию изобретения. Чертежи иллюстрируют один или несколько вариантов изобретения и вместе с описанием позволяют объяснить принципы и процессы технического решения.
Фиг. 1А - изображение фотокаталитического элемента реактора в его поперечном сечении в соответствии с одним вариантом изобретения;
Фиг. 1В - изображение фотокаталитического элемента в перспективе и в разобранном на части виде в соответствии с одним вариантом изобретения.
Фиг. 2 - изображение в поперечном сечении примерной внутренней структуры фотокаталитического элемента, имеющей подложку катализатора в форме гранул.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Перед характеристикой способов и устройств следует упомянуть, что изложенные аспекты не ограничены конкретными вариантами изобретения, конструктивным выполнением или расположением элементов и могут быть изменены. Также следует понимать, что используемая терминология предназначена только для описания конкретных аспектов и, если специально не указано в данном документе, не предназначена для ограничения.
Во всем описании, если контекст не требует иного, слова «содержат» и «включают» и варианты (например, «содержит», «содержащий», «включает», «включающий») следует понимать как включение упомянутого компонента, характерной особенности, элемента или интервала или группы компонентов, характерных особенностей, элементов или интервалов, но не исключение другого компонента, характерной особенности, элемента или интервала или группы компонентов, характерных особенностей, элементов или интервалов.
Используемые в описании и приложенной формуле изобретения, формы единственного числа (при использовании следующих артиклей в англоязычном тексте: «а», «an» и «the») включают множество определяемых объектов, если из контекста явно не следует иное.
Используемый здесь термин «связь» включает в себя физическую, электронную, тепловую или оптическую связь одного элемента с другим элементом.
Интервалы значений могут быть выражены в данной заявке как от «около» одного конкретного значения и/или до «около» другого конкретного значения. Когда диапазон выражен таким образом, другой вариант изобретения включает в себя от одного конкретного значения и/или до другого конкретного значения. Аналогично, когда значения выражены в виде приблизительных значений с использованием предшествующего «около», будет понятно, что конкретное значение образует другой вариант. Далее будет понятно, что конечные показатели каждого из диапазонов имеют отношение как по отношению к другому конечному показателю, так и независимо от другого конечного показателя.
Все проценты, соотношения и пропорции в данной заявке являются массовыми, если не указано иное. Массовый процент (мас.%) компонента, если не определено иное, основан на общей массе композиции, в которую включен компонент (например, на общем количестве материала катализатора).
С учетом сущности изобретения процессы и активные материалы, охарактеризованные в заявке, могут быть осуществлены специалистом в данной области техники по необходимости. В целом, раскрытые материалы, способы и устройства обеспечивают улучшения процессов фотокатализ и материалов. В общем, настоящее техническое решение обеспечивает фотокаталитическим элементом реактора, содержащим: корпус, включающим, по меньшей мере, одно устройства ввода и, по меньшей мере, одно устройство вывода; и один или несколько плазмонных фотокатализаторов на подложке катализатора, расположенной внутри корпуса. Как правило, плазмонный фотокатализатор содержит катализатор, соединенный с плазмонным материалом, например, посредством физической, электронной, термической или оптической связи. Фотокаталитические элементы реактора согласно настоящему изобретению сконструированы с использованием источника света для превращения, по меньшей мере, одного реактанта в, по меньшей мере, один продукт каталитического превращения.
В известных из уровня техники реакторах слои катализатора не являются оптически прозрачными (то есть излучение не проникает в слой катализатора). Напротив, в соответствии с некоторыми вариантами изобретения, по меньшей мере, подложка является оптически прозрачной. В других вариантах изобретения фотокаталитические элементы реактора дополнительно или по альтернативе содержат корпус, который является оптически прозрачным. В некоторых вариантах осуществления оптически прозрачный корпус имеет коэффициент пропускания для заданной длины волны света, по меньшей мере, 50%. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения оптически прозрачный корпус имеет коэффициент пропускания от около 50% до около 100% для заданной длины
волны света; или, по меньшей мере, 55%, или, по меньшей мере, 60%, или, по меньшей мере, 70%, или, по меньшей мере, 80%, или, по меньшей мере, 90%, или, по меньшей мере, 95%, или коэффициент пропускания для заданной длины волны света составляет даже, по меньшей мере, 98%.
Преимущественно оптически прозрачный корпус в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения может иметь низкое тепловое расширение. Таким образом, в одном варианте осуществления изобретения оптически прозрачный корпус содержит материал, имеющий линейный коэффициент теплового расширения (СТЕ) менее чем около 1×10-4°К-1. В другом варианте осуществления оптически прозрачный корпус содержит материал, имеющий СТЕ, менее чем около 1×10-5°К-1; или СТЕ менее чем около 5×10-6°К-1; или СТЕ менее чем около 3×10-6°К-1; или даже СТЕ менее чем приблизительно 1×10-6°К-1. Например, некоторые типовые материалы с приемлемыми значениями СТЕ включают следующие, но не ограничиваются ими: боросиликатное стекло при 3,2×10-6°К-1, стекло PYREX® при 3,2×10-6°К-1, кварц от около 0,59×10-6°К-1 до около 9×10-6°К-1 сапфир 5,3×10-6°К-1 и плавленый кварц при 0,55×10-6°К-1.
Специалисту в данной области техники очевидно, что может быть использован любой материал, имеющий необходимый коэффициент пропускания для заранее определенной длины волны света (или диапазона длин волн) и/или коэффициента теплового расширения (СТЕ). В некоторых вариантах осуществления изобретения оптически прозрачный корпус содержит стекло, боросиликатное стекло, кварц, плавленый кварц, алюмосиликатное стекло, литиево-алюмосиликатное стекло, сапфир или их комбинации.
В одном варианте осуществления изобретения оптически прозрачный корпус является оптически прозрачным со всех сторон корпуса. Но специалисту в данной области техники должно быть понятно, что в варианте осуществления изобретения оптически прозрачный корпус может не быть оптически прозрачным со всех сторон корпуса. Например, внешняя полость оптически прозрачного корпуса может включать светоотражающую
поверхность, обращенную к центральной полости (которая может быть оптически прозрачной). По альтернативным признакам по существу, вся внутренняя поверхность корпуса может быть светоотражающей, скорее чем оптически прозрачной, что может быть целесообразно в вариантах осуществления, использующих источник света, расположенный внутри фотокаталитического элемента реактора. Эти варианты осуществления изобретения, включающие такие случаи выполнения, которые содержат внешнюю полость и центральную полость, более подробно описаны ниже.
Фотокаталитические элементы реактора по техническому решению также предусматривают один или нескольких плазмонных фотокатализаторов, содержащих катализатор, соединенный с плазмонным материалом, например, посредством физической, электронной, термической или оптической связи. Без ограничения теорией считается, что плазмонный материал действует как оптическая антенна, способная поглощать свет благодаря особенному взаимодействию света с плазмонными материалами и, в результате, генерирует сильное электрическое поле на плазмонном материале и около него (т.е. в результате коллективных колебаний электронов в плазмонном материале). Это сильное электрическое поле на плазмонном материале и около него обеспечивает соединение катализатора с плазмонным материалом, даже когда катализатор и плазмонный материал разделены на расстояния до около 20 нм или более.
Главным образом, плазмонный материал может представлять собой любой металл, металлический сплав, металлоидный элемент или его сплав. В некоторых вариантах осуществления изобретения плазмонный материал выбран из золота, сплава золота, серебра, сплава серебра, меди, медного сплава, алюминия или алюминиевого сплава. В настоящем техническом решении термин «сплавы» предполагает охват любой возможной комбинации металлов. Например, сплавы могут быть двухкомпонентными, такими как AuAg, AuPd, AuCu, AgPd, AgCu и т.д. или они могут быть трехкомпонентными сплавами или даже четырехкомпонентными сплавами.
В некоторых вариантах осуществления изобретения плазмонный материал содержит оксидную пленку, окружающую неоксидируемую центральную часть. В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения оксидная пленка может быть образована самостоятельно / приобретена при воздействии воздуха или воды на металл или сплав. Например, медный плазмонный материал может иметь оболочку из оксида меди (например, CuO или Cu2O), окружающую медную центральную часть, или алюминиевый плазмонный материал может иметь оболочку из оксида алюминия, окружающую алюминиевую центральную часть (сердцевину). В некоторых вариантах изобретения оксидная пленка может быть, по меньшей мере, частично искусственно создана, например, путем искусственного увеличения толщины пленки, которая образована самостоятельно / приобретена применением соответствующих химических методов или путем химического синтезированная или другого нанесения оксидного материала вокруг предварительно сформованного плазмонного материала. В некоторых вариантах осуществления оксидная пленка может иметь толщину до около 30 нм, или до около 25 нм, или до около 15 нм. В некоторых вариантах оксидная пленка может иметь толщину, по меньшей мере, около 0,5 нм, или, по меньшей мере, 1 нм, или, по меньшей мере, 1,5 нм. В некоторых вариантах осуществления изобретения оксидная пленка имеет толщину в диапазоне от около 0,1 нм до около 5 нм; или от около 0,1 нм до около 30 нм; или от около 1 нм до около 5 нм; или от около 1 нм до около 30 нм.
Специалисту в данной области техники очевидно, что размер, форма и химическая структура плазмонного материала будут влиять на поглощение одной или нескольких длин волн. Таким образом, плазмонный материал или материалы могут быть выполнены так, чтобы увеличить поглощение одной или нескольких длин волн (например, чтобы распознавать необходимую длину волны (длины волн), но при этом материал должен поглощать относительно меньшее количество волн других длин). В другом примере плазмонный материал по настоящему изобретению может быть изготовлен для обеспечения протекания желаемой химической реакции. Таким образом,
в некоторых вариантах осуществления изобретения плазмонный материал может иметь плазмонную резонансную частоту или максимум оптического поглощения в ультрафиолетовой или инфракрасной области электромагнитного спектра. В некоторых вариантах осуществления плазмонный материал имеет плазмонную резонансную частоту видимого излучения спектра (например, при длине волны в диапазоне от около 380 нм до около 760 нм.
В целом материал катализатора, связанный с плазмонным материалом, может представлять собой любое соединение, способное обеспечивать протекание требуемой химической реакций (например, даже если он не был связан с плазмонным материалом). Например, катализатор может быть способен к реакции окисления и восстановления, реакциям восстановления нормальных показателей по загрязнениям воды или воздуха, разложения NOx и N2O, обеспечивает протекание реакции гидрирования, таких как гидрирование ацетилена, конверсию диоксида углерода водяным паром с получением моноксида углерода (которая может сочетаться с гидрогенизацией для создания углеводородов с использованием реакция Фишера-Тропша) и обеспечивает протекание реакции активации азота, включая синтез аммиака. В некоторых вариантах осуществления изобретения катализатор может представлять собой любой металл или металлоидный элемент и любой сплав, оксид, фосфид, нитрид или комбинацию из указанных элементов. Например, катализатор может содержать каталитически активный палладий, платину, рутений, родий, никель, железо, медь, кобальт, иридий, осмий, титан, ванадий, индий или любую их комбинацию. Катализатор согласно настоящему изобретению может содержать любой сплав, оксид, фосфид или нитрид каталитически активного палладия, платины, рутения, родия, никеля, железа, меди, кобальта, иридия, осмия, титана, ванадия или индия. В некоторых вариантах изобретения катализатор содержит каталитически активное железо или медь. В некоторых вариантах осуществления изобретения катализатор по может представлять
собой интерметаллические наночастицы, наночастицы сердцевина-оболочка или полупроводниковые наночастицы (например, Cu2O).
В некоторых вариантах изобретения катализатор может быть физически соединен плазмонным материалом, в то время как в других вариантах выполнения изобретения катализатор может быть отделен небольшим промежутком от плазмонного материала (но все же соединен с ним, например, через физическую, электронную, тепловую), или оптическую связь). Разделение может быть либо с помощью свободного пространства (то есть отчетливое физическое разделение), либо разделение может быть тонким оксидным слоем, описанным выше. Например, плазмонный материал и катализатор могут быть разделены небольшим промежутком, когда они изготовлены литографическими методами, чтобы иметь отчетливое физическое разделение. В одном или нескольких вариантах осуществления небольшой промежуток может быть до около 30 нм, или до около 25 нм, или до около 15 нм. В некоторых вариантах осуществления разделение может составлять, по меньшей мере, около 0,5 нм или, по меньшей мере, 2 нм, или, по меньшей мере, 5 нм, или, по меньшей мере, 10 нм. В некоторых вариантах осуществления изобретения один или несколько катализаторов могут быть физически прикреплены к поверхности одного плазмонного материала, что может увеличить площадь поверхности для протекания реакций. В некоторых вариантах изобретения катализатор может образовывать пленку, которая окружает плазмонный материал.
Плазмонные фотокатализаторы могут иметь диаметр в диапазоне от около 5 нм до около 300 нм. В некоторых вариантах изобретения плазмонный фотокатализатор может иметь диаметр в диапазоне от около 10 нм до около 300 нм; или от около 50 нм до около 300 нм; или от около 80 нм до около 300 нм; или от около 100 нм до около 300 нм; или от около 5 нм до около 250 нм; от около 10 нм до около 250 нм; или от около 50 нм до около 250 нм; или от около 80 нм до около 250 нм; или от около 100 нм до около 250 нм; или от около 5 до около 200 нм; от около 10 нм до около 200 нм; или от около 50 нм
до около 200 нм; или от около 80 нм до около 200 нм; или от около 100 нм до около 200 нм; или от около 80 нм до около 200 нм.
Фотокаталитические элементы реактора согласно, по меньшей мере, некоторым вариантам изобретения также включают один или несколько плазмонных фотокатализаторов, распределенных на подложке катализатора. Как и в случае корпуса, в некоторых вариантах осуществления изобретения подложка катализатора имеет низкое поглощение и, в частности, достаточно низкое поглощение (для конкретной длины волны излучения или диапазона длин волн), так что реактанты подвергаются достаточному воздействию освещения, что приводит к необходимой каталитической реакции фотокаталитического элемента конкретной формы.
Специалисту в данной области техники очевидно, что материал, имеющий желаемые поглощение или пропускание определенных длин волн (или определенной волны или диапазона длин волн света), может быть использован в качестве подложки катализатора. В некоторых вариантах осуществления изобретения подложка катализатора содержит диоксид кремния, кварц, плавленый кварц, стекло, боросиликатное стекло, алюмосиликатное стекло, литиево-алюмосиликатное стекло, сапфир, алмаз или их комбинации. Подложка катализатора по настоящему изобретению может быть любой формы, известной в данной области техники, например в форме гранул, микропористых гранул, волокон, сфер, таблеток, цилиндров (полых или иных), сот, или симметричной или асимметричной трех-четырехлепестковой формы (например, с использованием методов экструзии или таблетирования). Например, фиг.2 отображает вид в поперечном сечении подложки катализатора с формой гранул. В некоторых вариантах осуществления изобретения подложка катализатора может быть аэрогелем. Подходящие аэрогели включают, но не ограничиваются аэрогелями на основе диоксида кремния, аэрогелями на основе оксида алюминия, аэрогелями на основе диоксида титана, аэрогелями на основе диоксида циркония, аэрогелями на основе оксида гольмия, аэрогелями на основе оксида самария, аэрогелями на основе оксида эрбия, аэрогелями на
основе оксида неодима (III) или их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления изобретения подложкой катализатора по настоящему изобретению является аэрогель на основе диоксида кремния. Специалисту в данной области техники очевидно, что когда подложной катализатора является аэрогель, плазмонный фотокатализатор может быть распределен по всему аэрогелю (например, плазмонный фотокатализатор может быть внедрен в аэрогель). В некоторых вариантах осуществления изобретения подложка катализатора может представлять собой прозрачный оксид алюминия в виде кристаллов (такой как α-фазный оксид алюминия или γ-фазный оксид алюминия).
Плазмонный фотокатализатор может присутствовать на носителе катализатора в любом количестве, необходимом для желаемого использования. Например, плазмонный фотокатализатор может присутствовать на подложке катализатора в количестве между от около 0,01 мас.% и около 30 мас.%; или около 0,01 мас.% и около 80 мас.%; или около 10 мас.% и около 80 мас.%; или около 0,01 мас.% и около 70 мас.%; или около 10 мас.% и около 70 мас.%. В некоторых вариантах осуществления плазмонный фотокатализатор может присутствовать на носителе катализатора в количестве между около 0,01 об.% и около 30 об.%; или около 0,01 об.% и около 20 об.%; или около 10 об.% и около 50 об.%; или около 0,01 об.% и около 70 об.%; или около 10 об.% и около 70 об.%.
В конкретном варианте выполнения изобретения плазмонный фотокатализатор может присутствовать на подложке катализатора в виде тонкого покрытия на внешней поверхности подложки (например, в виде одного или нескольких слоев). В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения слой плазмонного фотокатализатора, который нанесен на подложку, может иметь длину до около 30 нм, или до около 25 нм, или до около 15 нм; или, по меньшей мере, около 0,5 нм, или, по меньшей мере, 2 нм, или, по меньшей мере, 5 нм, или, по меньшей мере, 10 нм; или от около 5 до около 300 нм; или от около 10 нм до около 300 нм; или от около 50
нм до около 300 нм; или от около 80 нм до около 300 нм; или от около 100 нм до около 300 нм; или от примерно 5 до около 200 нм; от около 10 нм до около 200 нм; или от около 50 нм до около 200 нм; или от около 80 нм до около 200 нм; или от около 100 нм до около 200 нм; или от около 80 нм до около 200 нм; или от около 5 нм до около 100 нм; от около 10 нм до около 100 нм; или от около 50 нм до около 100 нм; или от около 10 нм до около 50 нм; или от около 1 до около 50 нм.
[0035] В некоторых вариантах осуществления изобретения фотокаталитический элемент содержит один плазмонный фотокатализатор на подложке катализатора, расположенной внутри корпуса (например, один тип нанесенного плазмонного фотокатализатора будет расположен внутри корпуса). В некоторых вариантах осуществления изобретения фотокаталитический элемент содержит два или более плазмонных фотокатализатора на подложке катализатора, расположенной внутри корпуса (например, два или более различных плазмонных фотокатализатора на подложке будут расположены внутри корпуса). На подложке катализатора могут быть предусмотрены два или более плазмонных фотокатализатора, либо смешанные, либо в отдельных слоях. Например, каждый слой будет иметь один тип поддерживаемого плазмонного фотокатализатора, имеющего требуемую плазмонную резонансную частоту и/или требуемый диаметр. В неограничивающем объем прав примере один слой будет поглощать волны с длинами первого диапазона относительно других длин волн, следующий слой будет поглощать волны с длинами второго диапазона, а конечный слой (например, промежуточный слой) будет поглощать волны других длин, таких волны, которые имеют длины, не входящие в первый и второй диапазоны длин волн.
В целом фотокаталитический элемент создан с обеспечением освещения плазмонных фотокатализаторов источником света. По частному случаю выполнения фотокаталитический элемент отображен в поперечном сечении на фиг.1А. Те же фотокаталитические элементы 100 также показаны в разобранном виде на фиг.1B. Здесь показана фотокаталитический элемент
100, содержащий плазмонный фотокатализатор на подложке катализатора 120, расположенной в оптически прозрачном корпусе 110. Фото каталитический элемент 100 может дополнительно содержать фитинги 160, сконструированные для присоединения фотокаталитического элемента к, по меньшей мере, одному питающему каналу для, по меньшей мере, одного устройства ввода 130 реактанта и, по меньшей мере, одного устройства вывода 140 продукта каталитического превращения. Фото каталитический элемент 100 может дополнительно содержать один или несколько уплотняющих поддерживающих элементов 150, выполненных с возможностью удержания катализатора в оптически прозрачном корпус ПО.
Размер и форма корпуса элемента реактора могут быть изменены для удовлетворения желаемой потребности. В некоторых вариантах осуществления изобретения корпус имеет внутренний диаметр в диапазоне от около 0,2 см до около 10 см; или от около 0,5 см до около 3 см. В некоторых вариантах осуществления изобретения корпус имеет длину в диапазоне от около 10 см до около 2 м; или от около 50 см до около 1 м. Корпус фотокаталитического элемента реактора может иметь, например, круглое или многоугольное поперечное сечение.
Как упомянуто выше, элемент реактора может дополнительно содержать один или несколько фитингов (таких как фитинги 160 на фиг.1А-1В), выполненных с возможностью присоединения элемента реактора к, по меньшей мере, одному питающему каналу для подачи, по меньшей мере, одного реактанта или, по меньшей мере, одного продукта каталитического превращения из корпуса. Например, фитинги могут содержать первый фитинг, соединенный с устройством ввода реактанта, и второй фитинг, соединенный с устройством вывода продукта каталитического превращения. Фитинги по настоящему изобретению могут содержать, например, низколегированную сталь, высоколегированную сталь, хромовые сплавы, никелевые сплавы, пластмассы, стекло, боросиликатное стекло, кварц, плавленый кварц, алюмосиликатное стекло, литиево-
алюмосиликатное стекло или их комбинации. В зависимости от необходимости, фитинги могут дополнительно содержать уплотнительное кольцо или другое уплотнительное средство. Другие фитинговые материалы и/или уплотнительные средства также возможны, и предполагается, что они находятся в пределах объема настоящего изобретения.
Фотокаталитический элемент может дополнительно содержать один или несколько уплотняющих поддерживающих элементов (таких как уплотняющие поддерживающие элементы 150 на фиг.1А-1В), выполненных с возможностью удерживания катализатора внутри корпуса. В некоторых вариантах осуществления уплотняющие поддерживающие элементы предусмотрены на входном конце и на выходном конце элемента реактора. В некоторых вариантах осуществления уплотняющие поддерживающие элементы предусмотрены на входном конце, выходном конце и расположены на определенном расстоянии по всему элементу реактора. Могут быть применены обычные материалы для использования в качестве уплотняющего поддерживающего элемента, такие как, например, металлическая сетка, стеклянные гранулы (имеющие больший диаметр, чем подложка катализатора), стекловата, монолит, полимер или эластомер.
В некоторых вариантах осуществления изобретения оптически прозрачный корпус дополнительно содержит внешнюю полость и центральную полость, расположенную соосно с внешней полостью, причем внешняя полость содержит плазмонный фотокатализатор на подложке катализатора, а центральная полость выполнена с возможностью размещения в ней источника света или средства терморегулирования. В некоторых вариантах осуществления изобретения источник света расположен в центральной полости корпуса. В некоторых вариантах осуществления изобретения источник света проходит вдоль или по длине корпуса. Может быть использован любой подходящий источник света, такой как, но не ограничиваясь этим, светодиод, металлогалогенная лампа, натриевая лампа высокого давления, ксеноновая лампа, лампа накаливания, люминесцентная
лампа, галогенная лампа, газоразрядная лампа высокой интенсивности, лазер или их комбинация. Естественный свет, такой как солнечный свет, также может быть направлен в центральную полость, чтобы служить источником света. В некоторых вариантах осуществления средство терморегулирования расположено в центральной полости оптически прозрачного корпуса. Может использоваться любое терморегулирующее устройство, известное в данной области техники. Например, средство терморегулирования может включать средство ввода жидкости, соединенное с первым концом центральной полости, и средство вывода жидкости, соединенное со вторым концом центральной полости, так что жидкость может протекать через элемент реактора для обогрева или отвода тепла от элемента реактора; или средство терморегулирования может содержать металлический стержень или металлические провода, сконструированные для теплопроводности.
В другом варианте предлагаются способы использования фотокаталитических элементов реактора для превращения реактантов. В частности, в описании раскрыты способы превращения, по меньшей мере, одного реактанта в, по меньшей мере, один продукт каталитического превращения, причем способ включает: внесение, по меньшей мере, одного реактанта в фотокаталитический элемент реактора; и освещают, по меньшей мере, одним источником света внутреннюю часть элемента реактора.
В альтернативном варианте осуществления способов по настоящему изобретению освещение испускается от источника света, внешнего по отношению к корпусу, а корпус является по существу оптически прозрачным.
В некоторых вариантах осуществления изобретения способ дополнительно включает нагревание, по меньшей мере, одного элемента реактора посредством, по меньшей мере, одного реактанта, взаимодействующего с плазмонным фотокатализатором (в частности, не применяется внешний нагрев, например, с помощью специального источника нагрева). В некоторых вариантах осуществления способы дополнительно включают в себя внешний нагрев элемента реактора. Наружный нагрев
может осуществляться с помощью средства терморегулирования, как описано выше, или с помощью некоторой другой технологии нагрева.
Представленные способы раскрытия изобретения включают, но не ограничиваются ими, окисление и восстановление, реакции восстановления до приемлемых характеристик загрязненной воды или воздуха, разложения NOx и N2O, гидрирование, в частности гидрирование ацетилена, конверсия диоксида углерода и активация азота, включая синтез аммиака. Некоторые из представленных химических превращений включают:
Таким образом, в некоторых вариантах осуществления изобретения реактанты представляют собой метан и воду; или реактанты представляют собой метан и диоксид углерода; или реактанты представляют собой монооксид углерода и воду; или реактанты представляют собой диоксид углерода и газообразный водород; или реактанты представляет собой закись азота; или реактанты представляют собой ацетилен и газообразный водород; или реактанты представляют собой газообразный водород и газообразный азот; или реактанты представляют собой диоксид углерода и газообразный водород.
Способы раскрытия изобретения могут быть выполнены при любой подходящей температуре. Например, в некоторых вариантах изобретения
способы осуществляются при температуре в диапазоне от около 100°С до около 300°С; или от около 100 до около 250°С; или от около 100 до около 200°С; или от около 150 до около 300°С; или от около 150 до около 250°С; или от около 150 до около 200°С; или от около 200 до около 300°С; или от около 200 до около 250°С; или от около 180 до около 220°С; или от около 190 до около 210°С; или от около 20 до около 300°С; или от около 20 до около 250°С; или от около 20 до около 200°С; или от около 20 до около 150°С; или от около 20°С до около 100° С.
Способы осуществления изобретения могут быть выполнены при любом подходящем давлении. Например, в некоторых вариантах осуществления способы осуществления изобретения осуществляются при давлении в диапазоне от около 9,65251×104 Па (14 фунт/кв. дюйм) до около 2,06840×106 Па (300 фунт/кв. дюйм), или от около 9,65251×104Па (14 фунт/ кв. дюйм) до около 1,37893×106 Па (200 фунт/кв. дюйм), или от около 9,65251×104 Па (14 фунт/кв. дюйм) до около 6,89465×105 Па (100 фунт/кв. дюйм), или около от 9,65251×104 Па (14 фунт/кв. дюйм) до от около 3,44733×105 Па (50 фунт/кв. дюйм), или от около 6,89465×105 Па (100 фунт/кв. дюйм) до около 2,06840×106 Па (300 фунт/кв. дюйм), или от около 6,89465×105 Па (100 фунт/кв. дюйм) до около 1,37893×106Па (200 фунт/кв. дюйм).
В способах по изобретению реактанты могут вводиться в элемент реактора при любой подходящей температуре. В некоторых вариантах осуществления реактант имеет температуру в диапазоне от около 200°С до около 300°С; или от около 200 до около 270°С; или от около 200 до около 250°С; или от около 230°С до около 270°С, когда его вводят в элемент реактора.
Очевидно, что примеры и варианты осуществления, описанные в данной заявке, предназначены только для иллюстративных целей, с их учетом различные модификации или изменения будут предложены специалистам в данной области техники и должны быть включены в сущность и область применения по этой заявке и объем прилагаемой
формулы изобретения. Все публикации, патенты и патентные заявки, упомянутые в описании, включены в настоящую заявку посредством ссылки при любых обстоятельствах.
1. Ячейка реактора с неподвижным слоем для преобразования одного или нескольких реактантов, содержащая:
оптически прозрачный цилиндрический корпус;
первый фитинг, выполненный с возможностью присоединения ячейки реактора на первом конце корпуса, по меньшей мере, к одному питающему каналу для ввода по меньшей мере одного реактанта;
второй фитинг, выполненный с возможностью присоединения ячейки реактора на втором конце корпуса, по меньшей мере, к одному устройству для вывода, по меньшей мере, одного продукта каталитического превращения;
подложку катализатора, скомпонованную в виде неподвижного слоя, по существу, заполняющего корпус;
первый плазмонный фотокатализатор, нанесенный на подложку катализатора, причем первый плазмонный фотокатализатор содержит катализатор, соединенный с плазмонным материалом, имеющим первую плазмонную резонансную частоту, для катализа желаемой химической реакции путем максимизации поглощения по меньшей мере первой заданной длины волны в электромагнитном спектре,
причем ячейка реактора выполнена с возможностью применения источника света по длине, по меньшей мере, внутренней части корпуса, ячейка реактора выполнена с возможностью превращения, по меньшей мере, одного поступающего реактанта в, по меньшей мере, один получаемый продукт каталитического превращения посредством, по меньшей мере, одного поступающего реактанта реагирующего, по меньшей мере, с первым плазмонным фотокатализатором.
2. Ячейка реактора по п.1, характеризующаяся тем, что оптически прозрачный корпус имеет коэффициент пропускания, по меньшей мере, 50%, по меньшей мере, для одной заданной длины волны света.
3. Ячейка реактора по п.1, характеризующаяся тем, что оптически прозрачный корпус содержит стекло, боросиликатное стекло, кварц, плавленый кварц, алюмосиликатное стекло, литиево-алюмосиликатное стекло, сапфир или их комбинации.
4. Ячейка реактора по п.1, характеризующаяся тем, что подложка катализатора подобрана так, чтобы обеспечивать достаточно низкое поглощение, по меньшей мере, одной заданной длины волны света для осуществления превращения, по меньшей мере, одного поступающего реактанта в, по меньшей мере, один получаемый продукт каталитического превращения.
5. Ячейка реактора по п.1, характеризующаяся тем, что подложка катализатора содержит диоксид кремния, кварц, плавленый кварц, стекло, боросиликатное стекло, сапфир, алмаз или их комбинацию.
6. Ячейка реактора по п.1, характеризующаяся тем, что подложка катализатора представляет собой аэрогель, содержащий диоксид кремния, оксид алюминия, диоксид титана, диоксид циркония, оксид гольмия, оксид самария, оксид эрбия, оксид неодима (III) или их комбинацию.
7. Ячейка реактора по п.1, характеризующаяся тем, что подложка катализатора представляет собой оксид алюминия.
8. Ячейка реактора по п.1, характеризующаяся тем, что ячейка реактора дополнительно содержит второй плазмонный фотокатализатор, нанесенный на подложку катализатора, причем второй плазмонный фотокатализатор отличается от первого плазмонного фотокатализатора и максимизирует поглощение по меньшей мере второй заданной длины волны в электромагнитном спектре.
9. Ячейка реактора по п.1, характеризующаяся тем, что корпус имеет внутренний диаметр в диапазоне от около 0,2 см до около 30 см или от около 0,5 см до около 10 см и длину в диапазоне от около 10 см до около 2 м или около 50 см до 1 м.
10. Ячейка реактора по п.1, характеризующаяся тем, что источник света содержит, по меньшей мере, один светодиод, металлогалогенную лампу, натриевую лампу высокого давления, ксеноновую лампу, лампу накаливания, флуоресцентную лампу, галогенную лампу, газоразрядную лампу высокой интенсивности, лазер или их комбинацию.
11 Ячейка реактора по п.1, характеризующаяся тем, что оптически прозрачный корпус дополнительно содержит внешнюю полость и центральную полость, выполненную соосно с внешней полостью, причем внешняя полость содержит, по меньшей мере, первый плазмонный фотокатализатор на подложке катализатора и, по существу, окружает центральную полость, при этом центральная полость выполнена с возможностью размещения в ней источника света и/или средства терморегулирования.
12. Ячейка реактора по п.11, характеризующаяся тем, что внешняя полость оптически прозрачного корпуса содержит отражающую поверхность, обращенную к центральной полости.
13. Ячейка реактора по п.11, характеризующаяся тем, что средство терморегулирования включает в себя средство ввода жидкости, соединенное с первым концом центральной полости, и средство вывода жидкости, соединенное со вторым концом центральной полости, так что жидкость может протекать через ячейку реактора для обогрева или отвода тепла из ячейки реактора.
14. Ячейка реактора по п.11, характеризующаяся тем, что средство терморегулирования содержит, по меньшей мере, один металлический стержень или множество металлических проводов.
15. Ячейка реактора по п.1, характеризующаяся тем, что корпус имеет длину в диапазоне от около 50 см до 1 м.
16. Ячейка реактора по п.8, характеризующаяся тем, что второй плазмонный фотокатализатор имеет иную плазмонную резонансную частоту, чем у первого плазмонного фотокатализатора.
17. Ячейка реактора по п.8, характеризующаяся тем, что второй плазмонный фотокатализатор имеет диаметр, отличный от диаметра первого плазмонного фотокатализатора.
18. Ячейка реактора по п.8, характеризующаяся тем, что первый плазмонный фотокатализатор и второй плазмонный фотокатализатор расположены в разных слоях друг от друга.
19. Ячейка реактора по п.8, характеризующаяся тем, что первый плазмонный фотокатализатор поглощает волны с длинами первого диапазона относительно других длин волн, в то время как второй плазмонный фотокатализатор поглощает волны с длинами второго диапазона, кроме того, первый диапазон длин волн отличается от второго диапазона длин волн.
20. Способ преобразования, по меньшей мере, одного реактанта с использованием ячейки реактора, причем ячейка реактора с неподвижным слоем содержит:
оптически прозрачный цилиндрический корпус;
первый фитинг, выполненный с возможностью присоединения ячейки реактора на первом конце корпуса, по меньшей мере, к одному питающему каналу для ввода, по меньшей мере, одного реактанта;
второй фитинг, выполненный с возможностью присоединения ячейки реактора на втором конце корпуса, по меньшей мере, к одному устройству для вывода, по меньшей мере, одного полученного продукта каталитического превращения;
каталитическую подложку, скомпонованную в виде неподвижного слоя, по существу, заполняющего корпус;
первый плазмонный фотокатализатор, нанесенный на подложку катализатора, причем первый плазмонный фотокатализатор содержит катализатор, соединенный с плазмонным материалом, имеющим первую плазмонную резонансную частоту, для катализа желаемой химической реакции путем максимизации поглощения, по меньшей мере, первой заданной длины волны в электромагнитном спектре,
способ включает:
подачу, по меньшей мере, одного реактанта посредством, по меньшей мере, одного питающего канала к первому фитингу ячейки реактора;
освещение, по меньшей мере, одним источником света, по длине, по меньшей мере, внутренней части ячейки реактора; и
вывод, по меньшей мере, одного полученного продукта каталитического превращения из второго фитинга ячейки реактора;
при этом обеспечивают работу, по меньшей мере, одного источника света по длине, по меньшей мере, внутренней части корпуса, ячейка реактора преобразует, по меньшей мере, один поступающий реактант в, по меньшей мере, один получаемый продукт каталитического превращения посредством, по меньшей мере, одного поступающего реактанта реагирующего, по меньшей мере, с первым плазмонным фотокатализатором.
21. Способ по п.20, характеризующийся тем, что включает нагревание ячейки реактора с помощью средства терморегулирования, расположенного, по меньшей мере, частично внутри корпуса.
22. Способ по п.20, характеризующийся тем, что дополнительно включает нагрев, по меньшей мере, одной ячейки только посредством, по меньшей мере, одного реактанта, реагирующего с плазмонным фотокатализатором, без использования какого-либо дополнительного специально предназначенного источника нагрева.
23. Ячейка реактора для преобразования, по меньшей мере, одного реактанта, содержащая:
корпус, включающий, по меньшей мере, одно устройство впуска, по меньшей мере, одно устройство выпуска и центральную полость;
источник света, расположенный в центральной полости; и,
по меньшей мере, один плазмонный фотокатализатор на подложке катализатора с неподвижным слоем, расположенном внутри и по существу заполняющем корпус и по существу окружающем центральную полость, причем каждый из, по меньшей мере, одного плазмонного фотокатализатора содержит катализатор, соединенный с плазмонным материалом, имеющим плазмонную резонансную частоту, для катализа желаемой химической реакции путем максимизации поглощения, по меньшей мере, заданной длины волны в электромагнитном спектре,
причем выполнена с возможностью применения источника света по длине внутренней части корпуса, ячейка реактора выполнена с возможностью преобразования, по меньшей мере, одного поступающего реактанта в, по меньшей мере, один получаемый продукт каталитического превращения посредством, по меньшей мере, одного поступающего реактанта реагирующего, по меньшей мере, с плазмонным фотокатализатором.
24. Ячейка реактора по п.23, характеризующаяся тем, что корпус содержит отражающую поверхность, обращенную к центральной полости.
