在能源與環(huán)境問題日益緊迫的當(dāng)下，光催化技術(shù)作為一種綠色、可持續(xù)的解決方案，備受科研人員與產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。從利用太陽能分解水制氫，到降解環(huán)境中的有機(jī)污染物，光催化展現(xiàn)出了巨大的潛力。而準(zhǔn)確評(píng)估光催化劑的活性，是推動(dòng)光催化技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵一環(huán)，光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)便肩負(fù)著這一重要使命。

一、工作原理

光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)的工作基于光催化反應(yīng)的基本原理。當(dāng)光源發(fā)出的光子照射到光催化劑表面時(shí)，光子能量被催化劑吸收，激發(fā)產(chǎn)生電子 - 空穴對(duì)。這些光生載流子遷移到催化劑表面，與吸附在表面的反應(yīng)物分子發(fā)生氧化還原反應(yīng)。在光解水制氫反應(yīng)中，光生空穴氧化水生成氧氣，光生電子則還原質(zhì)子生成氫氣；在光催化降解有機(jī)污染物時(shí)，光生空穴具有強(qiáng)氧化性，能夠?qū)⒂袡C(jī)污染物逐步氧化為二氧化碳和水等小分子無機(jī)物。光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)通過精確控制反應(yīng)條件，如光照強(qiáng)度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)物濃度等，并實(shí)時(shí)檢測(cè)反應(yīng)產(chǎn)物的生成速率，以此來定量評(píng)估光催化劑的活性。

二、系統(tǒng)核心組件

1.光源模塊：作為光催化反應(yīng)的能量輸入源，光源的選擇至關(guān)重要。常見的光源包括氙燈、LED 燈等。氙燈能夠模擬太陽光的連續(xù)光譜，覆蓋從紫外到可見甚至近紅外的波段，為研究光催化劑在全光譜下的活性提供了可能；LED 燈則具有能耗低、壽命長(zhǎng)、波長(zhǎng)可精確選擇的優(yōu)勢(shì)，科研人員可以依據(jù)特定光催化劑的吸收特性，選用與之匹配的 LED 光源，聚焦于特定波段的光催化反應(yīng)研究。例如，在研究 TiO?光催化劑時(shí)，由于其對(duì)紫外光響應(yīng)較強(qiáng)，常搭配能發(fā)射特定紫外波長(zhǎng)的 LED 燈，精準(zhǔn)探究其在紫外光激發(fā)下的催化活性。

2.反應(yīng)腔室：這是光催化反應(yīng)實(shí)際發(fā)生的場(chǎng)所，對(duì)其材質(zhì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有嚴(yán)格要求。材質(zhì)方面，多采用石英玻璃等透光性優(yōu)良且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的材料，確保光線能夠高效穿透進(jìn)入反應(yīng)體系，同時(shí)不與反應(yīng)物或催化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)腔室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需兼顧反應(yīng)類型與催化劑的形態(tài)。對(duì)于氣固相光催化反應(yīng)，常采用管式反應(yīng)器，催化劑填充于管內(nèi)，反應(yīng)氣體在管中流動(dòng)并與受光激發(fā)的催化劑接觸發(fā)生反應(yīng)；對(duì)于液固相光催化反應(yīng)，如光催化降解有機(jī)廢水，多采用攪拌式反應(yīng)釜，通過攪拌使催化劑顆粒在溶液中均勻分散，增大與光線及反應(yīng)物的接觸面積。

3.催化劑固定與分散裝置：為了使催化劑在反應(yīng)過程中充分發(fā)揮作用，需要合適的固定與分散方式。對(duì)于粉末狀催化劑，在液固相反應(yīng)中，可通過磁力攪拌或機(jī)械攪拌實(shí)現(xiàn)均勻分散；在氣固相反應(yīng)中，常將催化劑負(fù)載在載體上，如陶瓷、金屬網(wǎng)等，既能保證催化劑的活性位點(diǎn)充分暴露，又便于固定和回收。對(duì)于一些特殊的光催化劑，如納米線陣列、薄膜型催化劑，可直接將其制備在反應(yīng)腔室的內(nèi)壁或特定的基底上，實(shí)現(xiàn)原位光催化反應(yīng)。

4.檢測(cè)與分析模塊：這是評(píng)估光催化活性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，用于檢測(cè)反應(yīng)產(chǎn)物的種類與濃度。氣相色譜（GC）常用于檢測(cè)光催化反應(yīng)產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物，如在光解水制氫反應(yīng)中，通過 GC 可精確測(cè)定氫氣的生成量；高效液相色譜（HPLC）則主要用于分析液相反應(yīng)中的有機(jī)產(chǎn)物，例如在光催化降解有機(jī)污染物時(shí)，HPLC 能夠準(zhǔn)確檢測(cè)污染物的降解程度及中間產(chǎn)物的生成情況。此外，質(zhì)譜（MS）、核磁共振（NMR）等技術(shù)也可用于對(duì)復(fù)雜產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)鑒定，為深入理解光催化反應(yīng)機(jī)理提供依據(jù)。

三、性能指標(biāo)與關(guān)鍵技術(shù)

1.性能指標(biāo)

（1）光催化活性：這是評(píng)價(jià)系統(tǒng)最核心的指標(biāo)，通常以單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量（或單位面積）催化劑上目標(biāo)產(chǎn)物的生成量來衡量。在光解水制氫反應(yīng)中，光催化活性可表示為每小時(shí)每克催化劑產(chǎn)生氫氣的摩爾數(shù)（mol?h?1?g?1）；對(duì)于光催化降解有機(jī)污染物，常以單位時(shí)間內(nèi)污染物的降解率來表征。例如，在一定條件下，某光催化劑在 1 小時(shí)內(nèi)將初始濃度為 100 ppm 的有機(jī)污染物降解至 10 ppm，則其降解率為 90%。

（2）穩(wěn)定性：光催化劑在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中保持活性的能力至關(guān)重要。評(píng)價(jià)系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)催化劑在多個(gè)反應(yīng)循環(huán)或長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)反應(yīng)后的活性變化。穩(wěn)定的光催化劑應(yīng)在長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)后，其活性下降幅度在可接受范圍內(nèi)。例如，經(jīng)過 100 小時(shí)連續(xù)光催化反應(yīng)后，某催化劑的活性仍能保持初始活性的 80% 以上，則可認(rèn)為該催化劑具有較好的穩(wěn)定性。

（3）選擇性：在一些復(fù)雜的光催化反應(yīng)體系中，可能會(huì)產(chǎn)生多種產(chǎn)物，光催化劑對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性成為重要指標(biāo)。選擇性是指目標(biāo)產(chǎn)物在所有產(chǎn)物中所占的比例。例如，在光催化 CO?還原反應(yīng)中，可能生成 CO、CH?、CH?OH 等多種產(chǎn)物，若某催化劑對(duì)生成 CH?OH 的選擇性達(dá)到 80%，則表明該催化劑在將 CO?轉(zhuǎn)化為 CH?OH 方面具有較高的選擇性。

2.關(guān)鍵技術(shù)

（1）真空與氣體控制技術(shù)：在涉及氣體參與的光催化反應(yīng)，如光解水制氫、光催化 CO?還原等，精確的真空與氣體控制至關(guān)重要。評(píng)價(jià)系統(tǒng)需要具備良好的真空密封性能，以排除外界氣體干擾，保證反應(yīng)體系的純凈。同時(shí)，能夠精確控制反應(yīng)氣體的流量、壓力和組成。例如，通過質(zhì)量流量控制器可將反應(yīng)氣體的流量精度控制在 ±1% 以內(nèi)，確保實(shí)驗(yàn)條件的一致性和可重復(fù)性。

（2）溫度控制技術(shù)：反應(yīng)溫度對(duì)光催化反應(yīng)速率和產(chǎn)物選擇性有顯著影響。光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)通常配備高精度的溫度控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)腔室溫度的精確調(diào)控。常見的控溫方式包括電加熱、水冷等，能夠?qū)囟瓤刂圃谠O(shè)定值的 ±1℃范圍內(nèi)，滿足不同光催化反應(yīng)對(duì)溫度的嚴(yán)格要求。

（3）在線檢測(cè)與分析技術(shù)：實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)反應(yīng)產(chǎn)物是評(píng)價(jià)光催化活性的基礎(chǔ)。現(xiàn)代光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)多采用在線檢測(cè)技術(shù)，將反應(yīng)產(chǎn)物直接引入檢測(cè)儀器，避免了離線檢測(cè)過程中可能出現(xiàn)的產(chǎn)物損失和污染。例如，通過與氣相色譜聯(lián)用的在線采樣系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光催化反應(yīng)產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物的實(shí)時(shí)分析，及時(shí)獲取產(chǎn)物濃度隨時(shí)間的變化曲線，為快速評(píng)估光催化劑性能提供數(shù)據(jù)支持。

四、應(yīng)用領(lǐng)域與案例分析

1.光解水制氫：光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)在光解水制氫研究中發(fā)揮著關(guān)鍵作用?？蒲腥藛T利用該系統(tǒng)篩選和優(yōu)化高效的光催化劑，以提高太陽能到氫能的轉(zhuǎn)化效率。例如，通過對(duì)一系列基于 TiO?的復(fù)合光催化劑進(jìn)行活性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)摻雜一定量的過渡金屬（如 Fe、Co 等）能夠顯著提高 TiO?的光催化產(chǎn)氫活性。在某光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)中，優(yōu)化后的 TiO? - Fe 復(fù)合催化劑在模擬太陽光照射下，產(chǎn)氫速率達(dá)到了 5 mmol?h?1?g?1，相比純 TiO?催化劑提高了近 3 倍。

2.太陽能燃料合成：除了光解水制氫，光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)還用于太陽能驅(qū)動(dòng)的 CO?還原合成燃料的研究。通過評(píng)價(jià)不同催化劑對(duì) CO?還原產(chǎn)物的選擇性和活性，探索將 CO?轉(zhuǎn)化為有價(jià)值燃料（如 CH?、CH?OH 等）的有效途徑。例如，某研究團(tuán)隊(duì)利用光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)篩選出一種基于 Cu?O 的催化劑，在特定反應(yīng)條件下，對(duì) CO?還原生成 CH?的選擇性高達(dá) 60%，為緩解溫室效應(yīng)和實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)利用提供了新的可能。

3.有機(jī)污染物降解：光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于光催化降解水中和空氣中有機(jī)污染物的研究。在水污染治理方面，可用于評(píng)估不同光催化劑對(duì)各種有機(jī)污染物（如染料、農(nóng)藥、抗生素等）的降解性能。例如，在對(duì)某新型光催化劑降解羅丹明 B 染料廢水的研究中，利用光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在可見光照射下，該催化劑在 2 小時(shí)內(nèi)可將羅丹明 B 的降解率提高至 95% 以上，展現(xiàn)出良好的光催化降解性能。在大氣污染治理中，該系統(tǒng)可用于評(píng)價(jià)光催化劑對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）、氮氧化物（NOx）等污染物的去除效果。例如，某負(fù)載型 TiO?光催化劑在光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)中對(duì)甲苯的降解實(shí)驗(yàn)表明，在模擬太陽光照射下，該催化劑能夠有效將甲苯降解為 CO?和 H?O，降低空氣中甲苯的濃度。

4.殺菌消毒：光催化技術(shù)在殺菌消毒領(lǐng)域也具有潛在應(yīng)用價(jià)值。光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)可用于評(píng)估光催化劑對(duì)細(xì)菌、病毒等微生物的滅活效果。例如，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，某些具有特定結(jié)構(gòu)的光催化劑在光照條件下能夠產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的活性氧物種，破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等常見細(xì)菌的高效滅活。在光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)中，經(jīng)過一定時(shí)間的光照處理后，細(xì)菌的存活率可降低至 1% 以下。

四、總結(jié)

      光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)作為光催化技術(shù)研究與發(fā)展的關(guān)鍵支撐，在推動(dòng)光催化技術(shù)從基礎(chǔ)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用的進(jìn)程中發(fā)揮著不可替代的作用。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新與完善，相信在未來，光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)將助力光催化技術(shù)在能源、環(huán)境等領(lǐng)域取得更多突破性進(jìn)展，為解決全球性問題提供有力的技術(shù)支持。

產(chǎn)品展示

      SSC-PCAE光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)(Photocatalytic activity evaluation system)沿用半導(dǎo)體行業(yè)的真空技術(shù)，將玻璃管路和閥門替換為EP管和EP自動(dòng)閥，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的全自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)過程，全自動(dòng)在線采樣分析，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中真正的全自動(dòng)運(yùn)行。SSC-PCAE光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)主要應(yīng)用于光解水、全解水、電催化、光催化CO2還原、光催化固氮、光電催化氣體產(chǎn)物分析、耐壓釜式反應(yīng)、催化反應(yīng)的微量氣體收集等。

產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)：

1)封閉反應(yīng)的產(chǎn)物氣體收集、采樣、在線分析的一體化系統(tǒng)；

2)內(nèi)置氣體磁力增壓泵，形成高強(qiáng)壓差，實(shí)現(xiàn)氣體快速混勻；

3)全系統(tǒng)耐壓-14.6psi ~150psi，實(shí)現(xiàn)了從真空到10atm的壓力覆蓋；

4)應(yīng)用半導(dǎo)體材料（TiO2、InO、C3N4、CdS等）催化劑的活性評(píng)價(jià)；

5)催化劑產(chǎn)氫、產(chǎn)氧、光解水的性能分析；

6)催化劑二氧化碳還原的性能分析；

7)系統(tǒng)可配和玻璃、石英、不銹鋼、PEEK、PTFE等材料制備的反應(yīng)器使用

8)可滿足光電反應(yīng)、氣固反應(yīng)、膜催化、多相反應(yīng)等特殊實(shí)驗(yàn)要求；

9)系統(tǒng)管閥件全部采用EP（316L，VIM+VAR）管和EP閥，對(duì)氣體無吸附；

10)系統(tǒng)即裝即用，可兼容任意廠家氣相色譜儀，無需額外增加進(jìn)樣閥門；

11)GC測(cè)試范圍廣，氫、氧、CO2、甲烷、CO、甲醛、C1-C5等微量氣體；