1.本发明涉及催化剂技术领域，具体涉及一种等离子体反应装置及其应用、催化剂的活化方法。
背景技术：2.等离子体表面处理可以改变金属活性组分的价态，实现催化剂还原。介质阻挡放电(dbd)等离子体反应装置是常用的等离子体表面处理装置。例如，现有技术(罗诏.冷等离子体制备铜基催化剂及其催化co2加氢研究[d].天津大学.)公开了一种dbd等离子体处理装置，由变压器、等离子体发生器、电极以及石英反应室组成，如图1所示。然而，利用上述装置对金属催化剂进行氢气还原时，还原后的金属催化剂的比表面较小，导致其催化活性不够高。
技术实现要素：[0003]
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种等离子体反应装置及其应用、催化剂的活化方法。利用本发明提供的反应装置活性后的催化剂的比表面大、粒径小、催化活性高。
[0004]
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
[0005]
本发明提供了一种等离子体反应装置，包括反应室1、等离子体发生系统2和电极3，还包括传动系统4；
[0006]
所述反应室1内设置有多孔绝缘介质11，所述反应室1还设置有出气管12；
[0007]
所述等离子体发生系统2包括空心高压电极管21、金属帽22和进气管23；所述空心高压电极管21的一端位于所述多孔绝缘介质11的底部，另一端贯穿所述反应室1的顶壁与所述进气管23连通；所述金属帽22设置在位于所述反应室1的外部的空心高压电极管21的外表面；
[0008]
所述电极3包括高压电极31和接地电极32；所述高压电极31与所述金属帽22电连接；所述接地电极32与所述反应室1的外表面接触；
[0009]
所述传动系统4包括传动装置41和螺旋叶片42；所述传动装置41固定在所述空心高压电极管21的端口处；所述螺旋叶片42固定在位于所述反应室1内的空心高压电极管21上。
[0010]
优选的，所述多孔绝缘介质11的孔隙内设置有石英棉。
[0011]
本发明提供了上述技术方案所述的等离子体反应装置在活化催化剂中的应用。
[0012]
本发明还提供了一种利用上述技术方案所述的等离子体反应装置活化催化剂的方法，包括以下步骤：
[0013]
将催化剂置于多孔绝缘介质11上，将氢气-保护气体混合气体经进气管23和空心高压电极管21通入到反应室1内部，在传动系统4的搅拌条件下，通电进行介质挡放电形成等离子体所述等离子体对催化剂进行活化。
[0014]
优选的，所述催化剂包括ni-cu/al2o3、fe/al2o3和cu/al2o3中的一种或几种。
[0015]
本发明提供了一种等离子体反应装置，包括反应室1、等离子体发生系统2、电极3和传动系统4；所述反应室1内设置有多孔绝缘介质11，所述反应室1还设置有出气管12；所述等离子体发生系统2包括空心高压电极管21、金属帽22和进气管23；所述空心高压电极管21的一端位于所述多孔绝缘介质11的底部，另一端贯穿所述反应室1的顶壁与所述进气管23连通；所述金属帽22设置在位于所述反应室1的外部的空心高压电极管21的外表面；所述电极3包括高压电极31和接地电极32；所述高压电极31与所述金属帽22电连接；所述接地电极32与所述反应室1的外表面接触；所述传动系统4包括传动装置41和螺旋叶片42；所述传动装置41固定在所述空心高压电极管21的端口处；所述螺旋叶片42固定在位于所述反应室1内的空心高压电极管21上。采用本发明提供的等离子体反应装置活化催化剂时，通电后，电荷经金属帽22传入空心高压电极管21，同位于所述反应室1外表面的接地地极32形成介质阻挡放电区域，介质阻挡放电形成等离子体，等离子体达到催化剂表面并在催化剂表面形成稳定的等离子体鞘层，催化剂表面的电子与金属离子发生复合反应，从而降低金属价态甚至被完全还原为单质金属，利用等离子体对催化剂的上述化学效应可以改变催化剂表面活性分子的价态、分解活性组分产生新物种，从而实现对催化剂进行有效的分子活化；传动装置41带动螺旋叶片42旋转从而对催化剂进行搅拌，减小了催化剂的粒径、提高了其比表面积，提高了活性催化剂的催化活性。而且，本发明提供的装置结构简单，成本低。
[0016]
本发明提供了一种催化剂的活化方法，利用上述技术方案所述的等离子体反应装置进行，包括以下步骤：将催化剂置于多孔绝缘介质11上，将混合气体经进气管23和空心高压电极管21通入到反应室1内部，在传动系统4的搅拌条件下，通电进行介质挡放电形成等离子体所述等离子体对催化剂进行活化。通电后，电荷经金属帽22传入空心高压电极管21，同位于所述反应室1外表面的接地地极32形成介质阻挡放电区域，介质阻挡放电形成等离子体，等离子体达到催化剂表面并在催化剂表面形成稳定的等离子体鞘层，催化剂表面的电子与金属离子发生复合反应，从而降低金属价态甚至被完全还原为单质金属，利用等离子体对催化剂的上述化学效应可以改变催化剂表面活性分子的价态、分解活性组分产生新物种，从而实现对催化剂进行有效的分子活化；而且，传动装置41带动螺旋叶片42旋转从而对催化剂进行搅拌，减小了催化剂的粒径、提高了其比表面积，提高了催化剂的催化活性。如实施例测试结果所示，本发明提供的方法得到的活性催化剂的比表面积为97m2/g、粒径为7nm，活性催化剂的比表面积大、粒径小。而且，本发明提供的活化方法，操作简单，适宜工业化生产。
附图说明
[0017]
图1为现有的dbd等离子体反应器示意图；
[0018]
图2为等离子体反应装置的结构示意图，其中，1为反应室，11为多孔绝缘介质，12为出气管，2为离子体发生系统，21为空心高压电极管，22为金属帽，23为进气管，3为电极，31为高压电极，32为接地电极，4为传动系统，41为传动装置，42为螺旋叶片。
具体实施方式
[0019]
本发明提供的等离子体反应装置的结构示意图如图2所示，下面结合图2对等离子体反应装置进行详细说明。
[0020]
本发明提供了一种等离子体反应装置，包括反应室1、等离子体发生系统2、电极3和传动系统4；
[0021]
所述反应室1内设置有多孔绝缘介质11，所述反应室1还设置有出气管12；
[0022]
所述等离子体发生系统2包括空心高压电极管21、金属帽22和进气管23；所述空心高压电极管21的一端位于所述多孔绝缘介质11的底部，另一端贯穿所述反应室1的顶壁与所述进气管23连通；所述金属帽22设置在位于所述反应室1的外部的空心高压电极管21的外表面；
[0023]
所述电极3包括高压电极31和接地电极32；所述高压电极31与所述金属帽22电连接；
[0024]
所述接地电极32与所述反应室1的外表面接触；所述传动系统4包括传动装置41和螺旋叶片42；所述传动装置41固定在所述空心高压电极管21的端口处；所述螺旋叶片42固定在位于所述反应室1内的空心高压电极管21上。
[0025]
本发明提供的等离子体反应装置包括反应室1，所述反应室1的形状优选为圆柱形，所述反应室1的内径优选为40～50mm，更优选为40～45mm，所述反应室1的壁厚优选为2～3mm，更优选为2.5mm；本发明对于所述反应室1的材质没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知材质即可，具体如玻璃。在本发明中，所述反应室1内设置有多孔绝缘介质11，本发明对于所述多孔绝缘介质的没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的多孔绝缘介质即可，具体如多孔石英床；所述多孔绝缘介质11的孔径优选为20～100目，更优选为40～80目；所述多孔绝缘介质11的孔隙内优选设置有石英棉，所述石英棉的长度优选为1～10mm，更优选为1.5～2.5mm。在本发明中，所述反应室1还设置有出气管12，所述出气管的管径优选为10～40mm，更优选为20～30mm；本发明对于所述出气管12的材质没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知材质即可，具体如不锈钢，更优选包括304不锈钢或316不锈钢。
[0026]
本发明提供的等离子体反应装置包括等离子体发生系统2。在本发明中，所述等离子体发生系统2包括空心高压电极管21、金属帽22和进气管23。在本发明中，所述空心高压电极管21的一端位于所述多孔绝缘介质11的底部，另一端贯穿所述反应室1的顶壁与所述进气管23连通；本发明对于所述空心高压电极管21的材质没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知材质即可，具体如不锈钢，更优选包括304不锈钢或316不锈钢。在本发明中，所述进气管23的管径优选为10～40mm，更优选为20～30mm；本发明对于所述进气管23的材质没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知材质即可，具体如不锈钢，更优选为304不锈钢或316不锈钢。在本发明中，所述金属帽22设置在位于所述反应室1的外部的空心高压电极管21的外表面。在本发明中，所述金属帽22的材质优选包括铜和/或铁。在本发明中，所述空心高压电极管21与反应室1内壁的间距(即放电间距)优选为2～3cm，更优选为2.5cm。
[0027]
本发明提供的等离子体反应装置包括电极3。在本发明中，所述电极3包括高压电极31和接地电极32；所述高压电极31与所述金属帽22电连接；所述接地电极32与所述反应室1的外表面接触。
[0028]
本发明提供的等离子体反应装置包括传动系统4，所述传动系统4包括传动装置41和螺旋叶片42。在本发明中，所述传动装置41固定在所述空心高压电极管21的端口处。本发明对于所述传动装置41的材质没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知材质即可，具体如铬合金。在本发明中，所述螺旋叶片42固定在位于所述反应室1内的空心高压电极管21上。
在本发明中，所述螺旋叶片42的半径优选为10～20mm，更优选为20mm。在本发明中，所述螺旋叶片42的个数优选为8～12，更优选为9～10；相邻两螺旋叶片42的距离优选为2～3mm，更优选为2.5～3mm，最顶端的螺旋叶片42与所述反应室1的顶壁距离优选为1～3cm，更优选为3cm。本发明对于所述螺旋叶片42的材质没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知材质即可，具体如聚乙烯。本发明对于所述传动装置41和螺旋叶片42固定的方式没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的固定方式即可，具体如焊接。
[0029]
本发明提供了上述技术方案所述的等离子体反应装置在活化催化剂中的应用。
[0030]
本发明提供了一种催化剂的活化方法，利用上述技术方案所述的等离子体反应装置进行，包括以下步骤：
[0031]
将催化剂置于多孔绝缘介质11上，将氢气-保护气体混合气体经进气管23和空心高压电极管21通入到反应室1内部，在传动系统4的搅拌条件下，通电进行介质挡放电形成等离子体所述等离子体对催化剂进行活化。
[0032]
在本发明中，若无特殊说明，所有的原料组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。
[0033]
在本发明中，所述催化剂优选包括ni-cu/al2o3、fe/al2o3和cu/al2o3中的一种或几种。在本发明中，所述催化剂的粒径优选为5～100nm，更优选为10～50nm，进一步优选为10～20nm。
[0034]
在本发明中，所述氢气-保护气体混合气体的流量优选为10～1000ml/min，更优选为75～90ml/min，进一步优选为80～85ml/min。在本发明中，所述保护气体优选包括氩气、氦气或二氧化碳；所述氢气-保护气体混合气体中氢气的体积分数优选为5～70％，更优选为10～50％，进一步优选为15～30％。
[0035]
在本发明中，所述搅拌的优选转速为20～100r/min，更优选为35～45r/min，进一步优选为40r/min。
[0036]
在本发明中，所述通电的频率优选为1～100khz，更优选为8～11khz，进一步优选为9～10khz；所述通电的电压优选为1～100kv，更优选为7～25kv，进一步优选为10～20kv；所述通电的时间优选为30～120min，更优选为10～1000min，进一步优选为50～60min。
[0037]
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
实施例1
[0039]
采用图2所式的装置制备，其中，所述空心高压电极管21与反应室1内壁的间距为2～3cm，所述多孔绝缘介质11的孔径为40～100目。具体步骤如下：
[0040]
将50mg、粒径为10nm的cu/al2o3催化剂置于多孔绝缘介质11上，将20％h
2-ar混合气体以80ml/min的流量经进气管23和空心高压电极管21通入到反应室1内部，在传动系统4的搅拌条件下，通电进行介质挡放电形成等离子体，利用所述等离子体对催化剂进行还原活化，得到比表面积为97m2/g、铜金属颗粒粒径为7nm的活化催化剂。通电频率为20.5khz，电压为7kv，放电间距为2cm。
[0041]
对比例1
[0042]
按照实施例1的方法制备活化催化剂，与实施例1的区别在于采用图1所示的装置制备，得到比表面积为83m2/g、铜金属颗粒粒径为13nm的活化催化剂。
[0043]
通过比较实施例1和对比例1可知，采用本发明提供的反应装置能够得到比表面更大、粒径更好的活性催化剂，进而活性催化剂的催化活性更高。
[0044]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
技术特征：1.一种等离子体反应装置，包括反应室(1)、等离子体发生系统(2)、电极(3)，其特征在于，还包括传动系统(4)，所述反应室(1)内设置有多孔绝缘介质(11)，所述反应室(1)还设置有出气管(12)；所述等离子体发生系统(2)包括空心高压电极管(21)、金属帽(22)和进气管(23)；所述空心高压电极管(21)的一端位于所述多孔绝缘介质(11)的底部，另一端贯穿所述反应室(1)的顶壁与所述进气管(23)连通；所述金属帽(22)设置在位于所述反应室(1)的外部的空心高压电极管(21)的外表面；所述电极(3)包括高压电极(31)和接地电极(32)；所述高压电极(31)与所述金属帽(22)电连接；所述接地电极(32)与所述反应室(1)的外表面接触；所述传动系统(4)包括传动装置(41)和螺旋叶片(42)；所述传动装置(41)固定在所述空心高压电极管(21)的端口处；所述螺旋叶片(42)固定在位于所述反应室(1)内的空心高压电极管(21)上。2.根据权利要求1或3所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述多孔绝缘介质(11)的孔隙内设置有石英棉。3.权利要求1～2任一项所述的等离子体反应装置在活化催化剂中的应用。4.一种催化剂的活化方法，其特征在于，利用权利要求1～3任一项所述的等离子体反应装置进行，包括以下步骤：将催化剂置于多孔绝缘介质(11)上，将含氢气-保护气体混合气体经进气管(23)和空心高压电极管(21)通入到反应室(1)内部，在传动系统(4)的搅拌条件下，通电进行介质挡放电形成等离子体，所述等离子体对催化剂进行活化。5.根据权利要求4所述的活化方法，其特征在于，所述催化剂包括ni-cu/al2o3、fe/al2o3和cu/al2o3中的一种或几种。
技术总结本发明提供了一种等离子体反应装置及其应用、催化剂的活化方法，涉及催化剂技术领域。采用本发明提供的等离子体反应装置活化催化剂时，通电后，电荷经金属帽22传入空心高压电极管21，同位于所述反应室1外表面的接地地极32形成介质阻挡放电区域，介质阻挡放电形成的等离子体在催化剂表面形成稳定的等离子体鞘层，催化剂表面的电子与金属离子发生复合反应，改变催化剂表面活性分子的价态、分解活性组分产生新物种，从而实现对催化剂进行有效的分子活化；同时，传动装置41带动螺旋叶片42旋转从而对催化剂进行搅拌，减小了催化剂的粒径、提高了其比表面积，提高了催化剂的催化活性。性。性。
技术研发人员：章旭明 单赟 李锴 孙智 贺子俊 张连成 朱祖超 朱中怀
受保护的技术使用者：杭州绿然环保集团股份有限公司
技术研发日：2022.04.08
技术公布日：2022/7/5
