光催化技術(shù)在能源與環(huán)境領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，而精確評(píng)估光催化劑在動(dòng)態(tài)光響應(yīng)下的活性至關(guān)重要。本文聚焦于面向動(dòng)態(tài)光響應(yīng)的光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，深入剖析了系統(tǒng)的工作原理，涵蓋光源系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)以及檢測(cè)分析系統(tǒng)等核心組成部分。對(duì)真空與氣體控制、溫度控制、在線檢測(cè)與分析等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并介紹了該系統(tǒng)在光解水制氫、CO?還原等領(lǐng)域的應(yīng)用。最后對(duì)未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望，旨在為推動(dòng)光催化技術(shù)從基礎(chǔ)研究邁向?qū)嶋H應(yīng)用提供有力的技術(shù)支撐。

一、引言

       隨著全球?qū)η鍧嵞茉春铜h(huán)境保護(hù)的關(guān)注度不斷提升，光催化技術(shù)因其能夠在溫和條件下利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化與污染物降解，成為了研究熱點(diǎn)。光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)作為評(píng)估光催化劑性能的關(guān)鍵工具，對(duì)于篩選高效光催化劑、深入理解光催化反應(yīng)機(jī)理以及推動(dòng)光催化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用具有不可替代的作用。傳統(tǒng)的光催化活性評(píng)價(jià)多在靜態(tài)光條件下進(jìn)行，然而實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中光強(qiáng)、光質(zhì)等往往處于動(dòng)態(tài)變化中，因此開(kāi)發(fā)面向動(dòng)態(tài)光響應(yīng)的光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)工作原理

（1）光催化反應(yīng)基礎(chǔ)原理

      當(dāng)具有合適能量的光子照射到光催化劑表面時(shí)，光催化劑吸收光子能量，價(jià)帶電子被激發(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)。這些光生載流子具有較高的活性，能夠遷移到催化劑表面，并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)，光生空穴憑借其強(qiáng)氧化性，將有機(jī)污染物逐步氧化為二氧化碳和水等小分子無(wú)機(jī)物。光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)正是基于這一原理，通過(guò)精確控制反應(yīng)條件，監(jiān)測(cè)反應(yīng)產(chǎn)物的生成速率，從而定量評(píng)估光催化劑的活性。

（2）動(dòng)態(tài)光響應(yīng)下系統(tǒng)工作機(jī)制

      在動(dòng)態(tài)光響應(yīng)條件下，光源系統(tǒng)能夠模擬自然環(huán)境中光強(qiáng)、光質(zhì)隨時(shí)間的變化。例如，通過(guò)智能控制系統(tǒng)，可使光源在不同時(shí)間段內(nèi)輸出不同強(qiáng)度、不同波長(zhǎng)的光，以更真實(shí)地模擬太陽(yáng)光在一天中的變化情況。反應(yīng)系統(tǒng)則需具備快速響應(yīng)能力，能夠及時(shí)適應(yīng)光條件的改變。當(dāng)光強(qiáng)或光質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，光催化劑表面產(chǎn)生的光生電子 - 空穴對(duì)數(shù)量和能量狀態(tài)隨之改變，進(jìn)而影響反應(yīng)速率。檢測(cè)分析系統(tǒng)需實(shí)時(shí)捕捉這些變化，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的生成量和變化趨勢(shì)進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)和分析，從而評(píng)估光催化劑在動(dòng)態(tài)光下的活性表現(xiàn)。

三、光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)核心組成

1.光源系統(tǒng)

（1）光源類型與特點(diǎn)

      氙燈能夠模擬太陽(yáng)光的連續(xù)光譜，覆蓋從紫外到可見(jiàn)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。其優(yōu)點(diǎn)是光譜連續(xù)性好，光強(qiáng)較高，但能耗較大，且在使用過(guò)程中需要進(jìn)行嚴(yán)格的散熱處理。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，對(duì)于在可見(jiàn)光區(qū)域有較強(qiáng)吸收的光催化劑，可選擇相應(yīng)波長(zhǎng)的可見(jiàn)光 LED 燈，以提高光催化反應(yīng)的效率和針對(duì)性。

（2）動(dòng)態(tài)光模擬控制

      為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)光響應(yīng)，光源系統(tǒng)配備了先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)設(shè)的程序，精確調(diào)節(jié)光源的輸出參數(shù)。通過(guò)編寫(xiě)不同的控制程序，能夠模擬多種自然光照?qǐng)鼍?，如晴天、陰天、不同季?jié)的光照變化等。這使得研究人員能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，更真實(shí)地研究光催化劑在復(fù)雜光照條件下的性能表現(xiàn)。

2.反應(yīng)系統(tǒng)

（1·）反應(yīng)腔室設(shè)計(jì)

      反應(yīng)腔室是光催化反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，其設(shè)計(jì)需綜合考慮多個(gè)因素。首先，反應(yīng)腔室應(yīng)具有良好的光學(xué)性能，能夠確保光源發(fā)出的光高效地照射到光催化劑表面，同時(shí)盡量減少光的反射和散射損失。采用光學(xué)透明且具有低折射率的材料制作反應(yīng)腔室的窗口，可提高光的透過(guò)率。其次，反應(yīng)腔室需具備良好的密封性能，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，要能夠排除外界氣體干擾，保證反應(yīng)體系的純凈。此外，反應(yīng)腔室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)便于安裝和更換光催化劑，以及對(duì)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)控。

（2）催化劑固定與反應(yīng)體系構(gòu)建

      光催化劑在反應(yīng)腔室中的固定方式對(duì)光催化反應(yīng)效果有重要影響。常見(jiàn)的固定方法包括物理吸附、化學(xué)接枝和涂膜等。物理吸附是將光催化劑粉末直接吸附在載體表面，操作簡(jiǎn)單，但催化劑易脫落；化學(xué)接枝則通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將催化劑與載體牢固結(jié)合，穩(wěn)定性好，但制備過(guò)程較為復(fù)雜；涂膜法是將催化劑制成均勻的薄膜涂覆在載體上，可提高催化劑的利用率和反應(yīng)活性。根據(jù)不同的光催化反應(yīng)類型和催化劑特性，選擇合適的固定方式，能夠構(gòu)建高效穩(wěn)定的反應(yīng)體系。在光催化降解有機(jī)污染物的反應(yīng)中，若使用納米顆粒狀的光催化劑，可采用涂膜法將其固定在玻璃片等載體上，然后放入反應(yīng)腔室，與含有有機(jī)污染物的溶液構(gòu)成反應(yīng)體系。

3.檢測(cè)分析系統(tǒng)

（1）產(chǎn)物檢測(cè)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)?，F(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(guò)程中可能出現(xiàn)的產(chǎn)物損失和污染。氣相色譜是常用的氣體產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)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，如氫氣、氧氣、二氧化碳等的實(shí)時(shí)分析，及時(shí)獲取產(chǎn)物濃度隨時(shí)間的變化曲線。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)。在光催化 CO?還原反應(yīng)中，質(zhì)譜可用于精確分析產(chǎn)物中不同含碳化合物的種類和含量，幫助研究人員確定反應(yīng)路徑和產(chǎn)物選擇性。

（2）數(shù)據(jù)分析與處理

      檢測(cè)分析系統(tǒng)獲取的大量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行有效的分析與處理。通過(guò)專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，能夠?qū)Ξa(chǎn)物濃度隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行擬合和分析，計(jì)算出光催化劑的活性參數(shù)，如單位時(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。還可進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，研究不同反應(yīng)條件對(duì)光催化活性的影響規(guī)律。利用數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)不同光照強(qiáng)度下光催化產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得出光強(qiáng)與產(chǎn)氫速率之間的定量關(guān)系，為優(yōu)化光催化反應(yīng)條件提供數(shù)據(jù)支持。

四、光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)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)中，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。采用高真空度的真空泵和密封性能優(yōu)良的閥門(mén)、管路，可將反應(yīng)體系的真空度控制在極低水平。同時(shí)，能夠精確控制反應(yīng)氣體的流量、壓力和組成。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。在光解水制氫實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)精確控制氫氣和氧氣的生成速率，以及反應(yīng)體系中的氣體壓力，可優(yōu)化光催化反應(yīng)過(guò)程，提高制氫效率。

（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(jiàn)的溫度控制方式包括電加熱、制冷循環(huán)等。通過(guò)在反應(yīng)腔室外部安裝加熱絲或制冷裝置，并結(jié)合溫度傳感器和智能溫控儀，能夠?qū)⒎磻?yīng)溫度穩(wěn)定在設(shè)定值 ±0.1℃以內(nèi)。在某些光催化反應(yīng)中，適當(dāng)提高反應(yīng)溫度可加快反應(yīng)速率，但過(guò)高的溫度可能導(dǎo)致催化劑失活或產(chǎn)物選擇性發(fā)生變化。因此，精確的溫度控制對(duì)于研究光催化反應(yīng)的溫度效應(yīng)和優(yōu)化反應(yīng)條件具有重要意義。

（3）在線檢測(cè)與分析技術(shù)

      如前文所述，在線檢測(cè)與分析技術(shù)是實(shí)時(shí)獲取光催化反應(yīng)產(chǎn)物信息的關(guān)鍵。除了氣相色譜、質(zhì)譜等常用技術(shù)外，近年來(lái)一些新興的檢測(cè)技術(shù)也逐漸應(yīng)用于光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)。表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）能夠?qū)獯呋瘎┍砻娴姆磻?yīng)物和產(chǎn)物進(jìn)行高靈敏度的檢測(cè)，可在分子水平上研究光催化反應(yīng)過(guò)程中的吸附、反應(yīng)和脫附等步驟。光電流檢測(cè)技術(shù)則可用于監(jiān)測(cè)光催化反應(yīng)中的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程，通過(guò)測(cè)量光催化劑在光照下產(chǎn)生的光電流大小，評(píng)估其光電轉(zhuǎn)換性能。這些在線檢測(cè)與分析技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，為深入研究光催化反應(yīng)機(jī)理和快速評(píng)估光催化劑性能提供了有力的支持。

五、光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域

（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(yáng)能到氫能的轉(zhuǎn)化效率。通過(guò)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(guò)渡金屬（如 Fe、Co 等）能夠顯著提高 TiO?的光催化產(chǎn)氫活性。研究人員還可利用評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究不同反應(yīng)條件，如光照強(qiáng)度、溫度、溶液 pH 值等對(duì)光解水制氫效率的影響，從而優(yōu)化反應(yīng)工藝，為實(shí)現(xiàn)光解水制氫的工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

（2）光催化 CO?還原

      隨著全球?qū)厥覛怏w減排的需求日益迫切，光催化 CO?還原成為研究熱點(diǎn)。光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)可用于篩選和優(yōu)化能夠?qū)?CO?高效轉(zhuǎn)化為有價(jià)值燃料（如 CH?、CH?OH 等）的光催化劑。通過(guò)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)值燃料的有效途徑。研究發(fā)現(xiàn)，一些基于金屬有機(jī)框架（MOF）的光催化劑在光催化 CO?還原反應(yīng)中表現(xiàn)出較高的活性和選擇性，能夠?qū)?CO?定向轉(zhuǎn)化為特定的燃料產(chǎn)物。光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)為深入研究光催化 CO?還原反應(yīng)機(jī)理和開(kāi)發(fā)高效催化劑提供了重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

（3）環(huán)境污染物降解

      在環(huán)境領(lǐng)域，光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)可用于評(píng)估光催化劑對(duì)有機(jī)污染物、重金屬離子等的降解和去除能力。通過(guò)模擬實(shí)際環(huán)境中的光照條件和污染物濃度，研究光催化劑在不同環(huán)境條件下對(duì)污染物的降解效果。評(píng)價(jià)系統(tǒng)可用于研究光催化劑對(duì)水中有機(jī)染料、農(nóng)藥殘留以及空氣中揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）等污染物的降解性能。研究表明，某些納米結(jié)構(gòu)的光催化劑對(duì)有機(jī)染料具有高效的降解能力，能夠在短時(shí)間內(nèi)將其分解為無(wú)害的小分子物質(zhì)，為環(huán)境污染物的治理提供了新的技術(shù)手段。

六、結(jié)論與展望

      面向動(dòng)態(tài)光響應(yīng)的光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)集成了光源系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)和檢測(cè)分析系統(tǒng)等多個(gè)核心部分，通過(guò)真空與氣體控制、溫度控制、在線檢測(cè)與分析等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光催化劑在動(dòng)態(tài)光條件下活性的精確評(píng)估。該系統(tǒng)在光解水制氫、光催化 CO?還原、環(huán)境污染物降解等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，為光催化技術(shù)的發(fā)展提供了重要的支撐。

      未來(lái)，隨著科技的不斷進(jìn)步，光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)有望在以下幾個(gè)方面取得進(jìn)一步發(fā)展。一是光源系統(tǒng)將更加智能化和多樣化，能夠模擬更復(fù)雜的自然光照環(huán)境，甚至包括不同地理位置、不同氣候條件下的光照變化。二是反應(yīng)系統(tǒng)將朝著微型化、集成化方向發(fā)展，提高反應(yīng)效率和催化劑的利用率，同時(shí)降低系統(tǒng)成本。三是檢測(cè)分析系統(tǒng)將不斷涌現(xiàn)新的高靈敏度、高分辨率檢測(cè)技術(shù)，能夠在更微觀的層面上研究光催化反應(yīng)過(guò)程，為深入理解反應(yīng)機(jī)理提供更豐富的信息。四是評(píng)價(jià)系統(tǒng)將與人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)深度融合，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的快速分析和處理，加速高效光催化劑的篩選和優(yōu)化過(guò)程。通過(guò)不斷完善和發(fā)展光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，將有力推動(dòng)光催化技術(shù)從基礎(chǔ)研究走向大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用，為解決能源和環(huán)境問(wèn)題做出更大貢獻(xiàn)。

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(mén)，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(mén)，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(mén)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(mén)；

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