在全球生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻的當(dāng)下，環(huán)境凈化技術(shù)的革新迫在眉睫。光催化反應(yīng)系統(tǒng)作為一種新興且具潛力的技術(shù)，正逐步展現(xiàn)出其在應(yīng)對(duì)各類環(huán)境污染問(wèn)題上優(yōu)勢(shì)與巨大價(jià)值，為環(huán)境凈化領(lǐng)域帶來(lái)了新的曙光。

一、光催化反應(yīng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)原理

      光催化反應(yīng)基于半導(dǎo)體材料的特殊光電性質(zhì)。當(dāng)特定波長(zhǎng)的光照射到半導(dǎo)體光催化劑（如常見(jiàn)的 TiO?、ZnO、g-C?N? 等）表面時(shí)，光子能量被吸收，價(jià)帶電子受激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，從而在價(jià)帶留下空穴，形成光生電子 - 空穴對(duì)。這些具有強(qiáng)氧化還原能力的電子和空穴，能夠與吸附在催化劑表面的水分子、氧氣等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生具有高活性的羥基自由基（?OH）、超氧自由基（?O??）等。以 TiO? 為例，其導(dǎo)帶電子可與氧氣反應(yīng)生成超氧自由基，價(jià)帶空穴則能將水分子氧化為羥基自由基。這些活性物種幾乎可以無(wú)選擇性地氧化分解大多數(shù)有機(jī)污染物，將其逐步礦化為二氧化碳和水等小分子無(wú)機(jī)物，同時(shí)也能對(duì)一些重金屬離子進(jìn)行還原或氧化轉(zhuǎn)化，降低其毒性 。

二、技術(shù)突破點(diǎn)

（一）光催化劑的性能提升

1. 拓寬光響應(yīng)范圍：傳統(tǒng)光催化劑（如 TiO?）往往只能響應(yīng)紫外光，而紫外光在太陽(yáng)光中占比僅約 5%。為充分利用太陽(yáng)能，科研人員通過(guò)元素?fù)诫s（如 N、S、C 等非金屬元素?fù)诫s TiO?）、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)（如將窄帶隙半導(dǎo)體與寬帶隙半導(dǎo)體復(fù)合形成 Z 型異質(zhì)結(jié)，像 g-C?N?/TiO? 異質(zhì)結(jié)）等手段，有效拓展了光催化劑的光吸收范圍至可見(jiàn)光甚至近紅外光區(qū)域。例如，揚(yáng)州大學(xué)朱興旺博士團(tuán)隊(duì)研制的全光譜響應(yīng)氮碳光催化材料，通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與元素組成優(yōu)化，極大地拓寬了光吸收范圍，光生電子 — 空穴壽命長(zhǎng)、化學(xué)穩(wěn)定性高，整體效率相比傳統(tǒng)催化劑提升 13.6 倍 。

2. 增強(qiáng)電荷分離效率：光生電子 - 空穴對(duì)容易發(fā)生復(fù)合，降低光催化效率。為此，研究人員采用缺陷工程（如引入氧空位）、表面修飾（如負(fù)載貴金屬納米顆粒，利用表面等離子體共振效應(yīng)）以及構(gòu)建有序微觀結(jié)構(gòu)（如制備納米管陣列、介孔結(jié)構(gòu)）等方式，優(yōu)化載流子遷移路徑，抑制電荷復(fù)合。昆明理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地將多尺度結(jié)構(gòu)工程與異質(zhì)界面工程相結(jié)合，制備出具有 “蛋黃 - 雙殼" 構(gòu)型的銅基復(fù)合微球，構(gòu)建多級(jí)電子傳輸通道與梯度電場(chǎng)，促使光電子向內(nèi)核定向遷移，將氧化性空穴錨定在表面活性位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了光能吸收與電荷分離效率的同步提升，對(duì)四環(huán)素類抗生素的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)降解效率達(dá)到傳統(tǒng)材料的數(shù)十倍 。

（二）反應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1. 新型反應(yīng)器構(gòu)型：為提高光的利用率和反應(yīng)物與催化劑的接觸效率，開(kāi)發(fā)了多種新型反應(yīng)器。如三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)反應(yīng)器，通過(guò) 3D 打印或模板法制備，具有貫通孔隙，增大了光吸收面積與反應(yīng)物擴(kuò)散路徑，適用于氣體凈化（如 CO? 還原）；還有層狀異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)反應(yīng)器，設(shè)計(jì) “光吸收層 - 電解質(zhì)層 - 催化活性層" 三明治結(jié)構(gòu)，促進(jìn)電荷定向遷移 。

2. 與其他技術(shù)的耦合：將光催化與其他技術(shù)協(xié)同，能發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，提升整體凈化效果。例如，光催化與生物酶催化結(jié)合，暨南大學(xué)江瑞芬副教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的基于直接電子轉(zhuǎn)移的超分子光 - 酶催化體系，將氧化還原酶 — 漆酶封裝在多孔的光活性氫鍵有機(jī)框架（PHOF）結(jié)構(gòu)的缺陷區(qū)域內(nèi)，形成穩(wěn)定生物界面，解決了光催化與生物催化難以兼容的難題，在可見(jiàn)光條件下對(duì)雙酚 A 等有機(jī)污染物的催化轉(zhuǎn)化率和周轉(zhuǎn)頻率比游離酶高出兩個(gè)數(shù)量級(jí) 。

三、在環(huán)境凈化各領(lǐng)域的實(shí)踐成果

（一）水污染治理

1. 有機(jī)污染物降解：工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活污水中含有大量有機(jī)污染物，如酚類、染料、抗生素等。光催化反應(yīng)系統(tǒng)能有效將其分解。如陜西科技大學(xué)李偉副教授課題組將優(yōu)化的高活性 CdS/TiO? 異質(zhì)結(jié)與有機(jī)鐵電 PVDF 復(fù)配，制備出復(fù)合光催化薄膜，可在弱光強(qiáng)下快速持久地降解含鉻廢水中的有機(jī)物，同時(shí)將 Cr (VI) 還原成 Cr (III)，免除二次污染危害 。

2. 重金屬離子處理：對(duì)于水中的重金屬離子（如 Cr (VI)、Hg2?、Pb2? 等），光催化可通過(guò)還原作用將高價(jià)態(tài)重金屬離子轉(zhuǎn)化為低價(jià)態(tài)或單質(zhì)，降低其毒性與遷移性。一些光催化劑在光照下產(chǎn)生的電子能夠與重金屬離子發(fā)生還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)重金屬的去除與回收 。

3. 水體富營(yíng)養(yǎng)化治理：針對(duì)水體中過(guò)量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)引發(fā)的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，光催化可通過(guò)氧化分解含氮、磷的有機(jī)物，以及促進(jìn)藻類等浮游生物的分解，緩解水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況。某些光催化劑能夠?qū)⒑袡C(jī)物氧化為氮?dú)?，減少水體中氮含量 。

（二）大氣污染治理

1. 揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）凈化：工業(yè)廢氣、汽車尾氣以及室內(nèi)裝修等釋放的 VOCs（如苯、甲苯、甲醛等）是大氣污染的重要來(lái)源，且部分具有致癌性。格瑞樂(lè)環(huán)保研發(fā)的 “光催化除苯系物空氣凈化裝置"，采用創(chuàng)新的釩酸鉍 - 石墨烯復(fù)合光觸媒材料，對(duì)可見(jiàn)光響應(yīng)波長(zhǎng)延伸至 550nm，即使在室內(nèi)弱光下也能激活強(qiáng)氧化性羥基自由基，苯系物分解效率超 98%。該裝置搭載雙模式凈化系統(tǒng)，先通過(guò)蜂窩活性炭層快速吸附高濃度污染物，再由光觸媒催化膜深度裂解，杜絕二次污染風(fēng)險(xiǎn) 。

2. 氮氧化物（NOx）去除：在電廠、汽車尾氣排放中，NOx 是主要污染物之一?？蒲腥藛T設(shè)計(jì)具有脫硝功能的吸附型光催化劑及光電催化反應(yīng)器件，進(jìn)行光 / 光電催化同步氧化 NO 的研究。通過(guò)構(gòu)造特殊納米光催化劑，增強(qiáng)對(duì) NO 的捕獲、活化，并與光催化技術(shù)相結(jié)合，在可見(jiàn)光照射下，光電協(xié)同催化 NO 的去除率達(dá) 80% 以上 。

3. 溫室氣體轉(zhuǎn)化：以 CO? 為例，利用光催化反應(yīng)系統(tǒng)可將其還原為一氧化碳、甲烷、甲醇等有價(jià)值的化學(xué)品，實(shí)現(xiàn) CO? 的資源化利用。通過(guò)設(shè)計(jì)合適的光催化劑和反應(yīng)體系，模擬植物光合作用原理，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)在產(chǎn)物中，既緩解了溫室效應(yīng)，又創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)價(jià)值 。

（三）土壤污染修復(fù)

1. 有機(jī)污染物修復(fù)：土壤中殘留的農(nóng)藥、石油烴等有機(jī)污染物，可通過(guò)添加光催化劑并結(jié)合光照進(jìn)行降解。光催化產(chǎn)生的活性物種能夠深入土壤顆粒間，氧化分解有機(jī)污染物，逐漸降低其在土壤中的含量，恢復(fù)土壤生態(tài)功能 。

2. 重金屬污染修復(fù)輔助：對(duì)于土壤中的重金屬污染，光催化雖然難以直接去除重金屬本身，但可通過(guò)光催化反應(yīng)改變重金屬的存在形態(tài)，促進(jìn)其在土壤中的固定或植物提取。例如，光催化產(chǎn)生的物質(zhì)可能與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合等反應(yīng)，降低其遷移性和生物有效性 。

四、挑戰(zhàn)與展望

      盡管光催化反應(yīng)系統(tǒng)在環(huán)境凈化領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。如光催化劑的大規(guī)模制備成本較高，穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提升；光催化反應(yīng)效率在實(shí)際復(fù)雜環(huán)境中易受影響；目前多數(shù)研究處于實(shí)驗(yàn)室階段，向大規(guī)模工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化還需克服諸多工程技術(shù)難題等 。

      展望未來(lái)，隨著材料科學(xué)、納米技術(shù)、工程設(shè)計(jì)等多學(xué)科的交叉融合發(fā)展，有望開(kāi)發(fā)出更高效、穩(wěn)定且低成本的光催化材料與反應(yīng)系統(tǒng)。一方面，通過(guò)深入研究光催化反應(yīng)機(jī)理，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化光催化劑的結(jié)構(gòu)與性能；另一方面，加強(qiáng)光催化技術(shù)與其他成熟環(huán)境凈化技術(shù)的集成應(yīng)用，推動(dòng)光催化反應(yīng)系統(tǒng)在環(huán)境凈化領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更廣泛、更高效的實(shí)際應(yīng)用，為全球環(huán)境改善提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，助力實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo) 。

產(chǎn)品展示

      近年來(lái)半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，超高純316L不銹鋼，符合SEMI F20標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)真空感應(yīng)熔煉+真空自耗重熔（VIM+VAR），并使用特殊的工藝處理，對(duì)材料進(jìn)行大程度的提純，進(jìn)一步減少了材料中的的非金屬夾雜物和氣體成分。EP管（316L，VIM+VAR）是表面經(jīng)過(guò)電解拋光處理，以提高產(chǎn)品內(nèi)部的平滑性，并在金屬表面形成富鉻層以提高耐腐蝕性，電解拋光后的產(chǎn)品做鈍化處理以去除游離鐵離子。EP拋光產(chǎn)品經(jīng) SEM、 ESCA/XPS、AES分析，產(chǎn)品質(zhì)量滿足半導(dǎo)體協(xié)會(huì) SEMI F20 標(biāo)準(zhǔn)。

      基于EP拋光（316L，VIM+VAR）技術(shù)的發(fā)展，鑫視科shinsco采用國(guó)內(nèi)優(yōu)秀企業(yè)生產(chǎn)的EP管（316L，VIM+VAR）和EP自動(dòng)閥門，替換了光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)的原有玻璃管路和閥門，并實(shí)現(xiàn)了PLC全面控制整套系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了SSC-PCAE光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)的全自動(dòng)化運(yùn)行。

    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(guò)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(wú)吸附；

10) 系統(tǒng)即裝即用，可兼容任意廠家氣相色譜儀，無(wú)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；