红外热像仪探索DRM光热催化剂表面温升行为

刘朋，周瑞明，孙嘉明，陈海军

(1.南京工业大学机械与动力工程学院，南京 211816；2.南京工业大学能源科学与工程学院，南京 211816)

太阳能作为储量巨大的高效清洁能源，具有广阔的应用前景[1-2]。而甲烷干重整反应是强吸热反应，最低反应温度在640 ℃左右，能源消耗极大[3]。将太阳能引入甲烷干重整反应体系中，通过开发光热协同催化剂，利用光源和热源分别为甲烷干重整反应输入光能和热能，实现光催化与热催化的协同耦合。

光热协同催化主要在催化剂表面实现，催化剂表面温度的测量对于催化剂的性能分析和优化具有极其重要的意义[4]。催化剂表面同时接受来自光源和热源的能量，热源提供的温度可由加热器件获得，但是光源提供的温度利用常规的测温方法较难获取。这是因为传统温度测量的方法是接触式测温，将热电偶与催化剂充分接触，获得催化剂上被测点的实时温度[5-6]。接触式测温法具有操作简单，操作成本较低的优势，但是同时存在以下缺点：1)热电偶与催化剂表面接触的测量方式难以实现；2)只能获得接触点的温度，不能体现催化剂的整体温度分布；3)光照辐射影响测量精度；4)响应速度慢，在光照下催化剂表面温度会在短时间内达到稳态，热电偶测温无法体现温度的变化。

非接触式测温不需要与被测对象接触，通过探测被测物体发射的辐射能量来获得物体表面温度分布，红外测温作为主流的非接触式测温方式，响应速度快、测量范围广和可实时测量，经过近些年的快速发展，正在各个行业获得越来越广泛的应用[7]。与热电偶测温相比，对光热协同催化剂进行红外测温具有以下优点：1)不与催化剂直接接触，通过接收催化剂红外辐射能量进行温度测量，催化剂表面不会被破坏；2)可以获得催化剂表面整体温度分布，红外热像仪接受的红外辐射能量在计算机软件下生成热图像，直接反映催化剂的温度场分布；3)响应速度快，光照引起的催化剂表面温升极为迅速，可实时监测催化剂温度。

本文利用红外热像仪测量光照下催化剂表面温度，考察并分析不同催化剂在聚光条件下的升温性能以及不同波段光照对催化剂温升的影响。

1 红外热像仪测温原理

红外辐射在自然界中普遍存在，其波长范围在0.76～1 000 μm之间。任何温度高于绝对零度(-273.15 ℃)的物体都会以电磁波的形式不断地向外辐射红外能量，物体辐射红外能量的强弱与其温度呈正相关，温度越高则红外能量越强，红外热像仪测温技术就是利用红外光的温度效应来进行温度的测量[8]。普朗克定律解释了黑体的光谱辐射力随波长变化的分布规律，这也是红外热像仪测温的理论依据，其表达式为[9]：

(1)

式(1)中，Ebλ为黑体光谱辐射力，W/cm2·μm；λ为光谱辐射的波长，μm；T为黑体热力学温度，K；c1为第一辐射常量，3.741 9×10-12W/cm；c2为第二辐射常量，1.438 8 cm·K。

如图1所示，红外测温系统由光学系统、探测器、信号处理电路、补偿电路和显示输出系统部分组成。光学系统接受物体所辐射出来的能量，并将接收到的辐射能量转化为电信号，经过放大、数/模转换后变成数字信号，通过内部算法处理和校正将红外辐射转换为可见的灰度图像或伪彩色图像[10]。

2 实验装置

图2为红外热像仪测温流程图，主要由红外热像仪、氙灯、聚光凸透镜、质量流量计和K型热电偶等组成。红外热像仪采用德国InfraTec公司生产的VarioCAM HD head 980，其分辨率为1 024×768，最大采集频率为30 Hz，精度为±1.5 ℃或者1.5%(视测量范围而不同)。氙灯光源使用中教金源公司生产的CEL-PF300-T8，属于高光功率全波段光源，波长连续分布，光谱覆盖范围在200～1 100 nm。通过在氙灯上加装滤光片，控制透过光线的波长范围，滤光片的透过波长范围及实际光强见表1。氙灯发出的光线经聚光凸透镜聚集形成光斑，由于在氙灯上加装滤光片后光照强度会发生变化，所以采用光功率计测量实际光强。光功率计采用英国Newport公司生产的919P-5 kW-50，其探头的接收孔直径为50 mm，测量功率范围为20～5 000 W，精度为±5%。

表1 滤光片的透过波长范围及实际光强

实验流程如下：首先将热电偶探头固定在石英垫片上，再将30 mg催化剂平铺在热电偶探头之上，催化剂上方放置氙灯和聚光凸透镜，用来提供光源和聚集光线，催化剂放置示意图如图3所示。催化剂放置在一个长方体装置内，前方开孔作为红外热成像仪探测通道，后方通入氩气作为保护气体，进气流速通过质量流量计控制在50 ml/min左右，吹扫15 min以除去装置内部的空气，防止催化剂在光照下发生氧化。

图2 红外热像仪测温流程图

图3 催化剂放置示意图

将红外热像仪的镜头正对催化剂，与催化剂水平距离保持在1.3 m左右。打开IRBIS 3软件，使用自动调焦模式，设置红外热像仪测温范围为0～500 ℃，录像频率为60 f/s。在使用红外热像仪测温之前，进行非均匀性校正，同时设置参数对发射率进行校正，设置发射率为1.0，大气温度及外部光学温度为25.0 ℃，相对湿度为0.5，外部光学透过率为1.0。经过上述设置后，结合K型热电偶温度传感器，对红外热像仪测得的温度进行验证，红外热像仪的测温结果与热电偶的偏差小于10%，可以对催化剂表面温度进行测试。打开氙灯(未安装滤光片条件下光照强度保持在90 kW/m2)开始测试，测试结束后保存相应的测试文件。主要实验仪器如图4所示。

图4 主要实验仪器

3 实验结果和讨论

3.1 测温验证

红外热成像仪测量结果受外部因素影响较大，目标表面的发射率、大气透射率、背景与环境温度等因素会直接影响温度测量的准确性，由于热电偶测温精度高、稳定性强，所以采用热电偶测量温度与红外热像仪测量温度进行对比验证，不同波段下1.2Ni-0.3Ir/SiO2催化剂温升如图5所示，不同波段下1.5Ni/SiO2催化剂温升如图6所示。总体来看催化剂温度越高，这两种测量差异越大。带通滤光片透过光强很小，催化剂温升不大，这两种测量方式几乎没有差异。在全波段光照下催化剂温度最高，红外热像仪测量温度略高于热电偶测量温度，原因是红外热像仪测量的是催化剂向光面温度，而热电偶测量的是催化剂背光面温度。所有波段光照下这两种方式测量误差最大为9.7%，基本验证红外热像仪测温的准确性。

图5 不同波段下1.2Ni-0.3Ir/SiO2催化剂温升

图6 不同波段下1.5Ni/SiO2催化剂温升

从图7和图8可以看出这两种催化剂表面的温度分布情况，这两种催化剂的红外热像图都呈现出中心位置温度最高，四周温度较低的温度分布情况。其原因是照射在催化剂表面上的光源能流密度表现出类似于正态分布的特征，即中间的能流密度最高，能流密度由中间向四周减少[11]。

图7 1.2Ni-0.3Ir/SiO2催化剂红外热像图

图8 1.5Ni/SiO2催化剂红外热像图

3.2 升温特性及机理探索

图9和图10分别为1.2Ni-0.3Ir/SiO2和1.5Ni/SiO2催化剂的温升曲线。从图9和图10中可以看出，当氙灯光源照射在催化剂表面的瞬间，催化剂表面的最高温度瞬间升高到300 ℃，在10 s左右温度升至最高，随后温度逐渐趋于稳定。1.2Ni-0.3Ir/SiO2催化剂相比于1.5Ni/SiO2催化剂其温升曲线更加平稳，这可能是由于少量Ir的添加可有效修饰Ni纳米颗粒，提高了双金属催化剂的光响应能力。

图9 1.2Ni-0.3Ir/SiO2催化剂温升曲线

图10 1.5Ni/SiO2催化剂温升曲线

从UV-Vis谱图可以看出，当掺杂一部分Ir后，双金属催化剂对于光的吸收性能提升显著，1.2Ni-0.3Ir/SiO2催化剂的光吸收能力明显强于用1.5Ni/SiO2催化剂。1.2Ni-0.3Ir/SiO2催化剂在波长400～500 nm内出现一个较宽的吸收峰，这是属于Ni纳米颗粒的LSPR共振吸收峰[12]。而在1.5Ni/SiO2催化剂和SiO2载体中，观察不到明显的吸收峰，这可能是由于少量Ir的添加可有效修饰Ni纳米颗粒，这两种金属的协同作用有效提高了催化剂的光响应能力。UV-Vis谱图如图11所示。

图11 UV-Vis谱图

结合表1与图12分析可知，总体来看两种催化剂温度与光强大小成正比。特殊之处在于JB490的光强比UVIRCUT420高4 kW/m2，1.5Ni/SiO2在JB490波段下温度高于UVIRCUT420，但是1.2Ni-0.3Ir/SiO2在JB490和UVIRCUT420两种波段下的温度几乎相同。原因是420～490 nm是1.2Ni-0.3Ir/SiO2的共振吸收波段，局域表面等离子体共振效应提高了1.2Ni-0.3Ir/SiO2温升，弥补了光强不足的影响。在图12中，QD420波段下1.2Ni-0.3Ir/SiO2温升比1.5Ni/SiO2高2 ℃，也证明局域表面等离子体共振效应对双金属催化剂温升的促进作用。

由图13可知，在420～490 nm范围内1.2Ni-0.3Ir/SiO2温升比1.5Ni/SiO2高33 ℃，在λ<490 nm范围内1.2Ni-0.3Ir/SiO2温升大于1.5Ni/SiO2，而在λ<420 nm范围内1.2Ni-0.3Ir/SiO2的温升小于1.5Ni/SiO2。这也可以说明在420～490 nm波段的局域表面等离子体共振效应导致1.2Ni-0.3Ir/SiO2温升明显高于1.5Ni/SiO2。而在其它波段下，由于不存在局域表面等离子体共振效应，所以1.5Ni/SiO2温升高于1.2Ni-0.3Ir/SiO2。

图12 不同波段下催化剂温升

图13 特殊波段下催化剂温升

4 结语

为了获得催化剂表面准确的温度分布规律，我们搭建了红外热像仪测温实验平台，利用红外热像仪测量光照下光热协同催化剂的温升性能，得到以下结论：

1)1.2Ni-0.3Ir/SiO2在JB490滤光片(实际光强63 kW/m2)和UVIRCUT420滤光片(实际光强59 kW/m2)下的温度几乎相同，且在QD420滤光片波段下1.2Ni-0.3Ir/SiO2温升比1.5Ni/SiO2高2 ℃。与UV-Vis谱图的分析结果相符，证明局域表面等离子体共振效应对双金属催化剂温升具有明显的促进作用。

2)催化剂表面温升迅速，在光照瞬间升高到300 ℃，在10 s左右达到稳态。

3)利用红外热像仪获得催化剂表面的温度分布，红外热像图呈现出中心位置温度最高，四周温度较低的温度分布情况。