在全球生態(tài)環(huán)境問題日益嚴峻的當下，環(huán)境凈化技術的革新迫在眉睫。光催化反應系統(tǒng)作為一種新興且具潛力的技術，正逐步展現(xiàn)出其在應對各類環(huán)境污染問題上優(yōu)勢與巨大價值，為環(huán)境凈化領域帶來了新的曙光。

一、光催化反應系統(tǒng)的基礎原理

      光催化反應基于半導體材料的特殊光電性質。當特定波長的光照射到半導體光催化劑（如常見的 TiO?、ZnO、g-C?N? 等）表面時，光子能量被吸收，價帶電子受激發(fā)躍遷到導帶，從而在價帶留下空穴，形成光生電子 - 空穴對。這些具有強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、氧氣等物質發(fā)生反應，產生具有高活性的羥基自由基（?OH）、超氧自由基（?O??）等。以 TiO? 為例，其導帶電子可與氧氣反應生成超氧自由基，價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選擇性地氧化分解大多數有機污染物，將其逐步礦化為二氧化碳和水等小分子無機物，同時也能對一些重金屬離子進行還原或氧化轉化，降低其毒性 。

二、技術突破點

（一）光催化劑的性能提升

1. 拓寬光響應范圍：傳統(tǒng)光催化劑（如 TiO?）往往只能響應紫外光，而紫外光在太陽光中占比僅約 5%。為充分利用太陽能，科研人員通過元素摻雜（如 N、S、C 等非金屬元素摻雜 TiO?）、構建異質結（如將窄帶隙半導體與寬帶隙半導體復合形成 Z 型異質結，像 g-C?N?/TiO? 異質結）等手段，有效拓展了光催化劑的光吸收范圍至可見光甚至近紅外光區(qū)域。例如，揚州大學朱興旺博士團隊研制的全光譜響應氮碳光催化材料，通過特殊的結構設計與元素組成優(yōu)化，極大地拓寬了光吸收范圍，光生電子 — 空穴壽命長、化學穩(wěn)定性高，整體效率相比傳統(tǒng)催化劑提升 13.6 倍 。

2. 增強電荷分離效率：光生電子 - 空穴對容易發(fā)生復合，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（如負載貴金屬納米顆粒，利用表面等離子體共振效應）以及構建有序微觀結構（如制備納米管陣列、介孔結構）等方式，優(yōu)化載流子遷移路徑，抑制電荷復合。昆明理工大學團隊創(chuàng)新地將多尺度結構工程與異質界面工程相結合，制備出具有 “蛋黃 - 雙殼" 構型的銅基復合微球，構建多級電子傳輸通道與梯度電場，促使光電子向內核定向遷移，將氧化性空穴錨定在表面活性位點，實現(xiàn)了光能吸收與電荷分離效率的同步提升，對四環(huán)素類抗生素的太陽能驅動降解效率達到傳統(tǒng)材料的數十倍 。

（二）反應系統(tǒng)的優(yōu)化設計

1. 新型反應器構型：為提高光的利用率和反應物與催化劑的接觸效率，開發(fā)了多種新型反應器。如三維多孔網絡結構反應器，通過 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物擴散路徑，適用于氣體凈化（如 CO? 還原）；還有層狀異質結結構反應器，設計 “光吸收層 - 電解質層 - 催化活性層" 三明治結構，促進電荷定向遷移 。

2. 與其他技術的耦合：將光催化與其他技術協(xié)同，能發(fā)揮各自優(yōu)勢，提升整體凈化效果。例如，光催化與生物酶催化結合，暨南大學江瑞芬副教授團隊構建的基于直接電子轉移的超分子光 - 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框架（PHOF）結構的缺陷區(qū)域內，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，在可見光條件下對雙酚 A 等有機污染物的催化轉化率和周轉頻率比游離酶高出兩個數量級 。

三、在環(huán)境凈化各領域的實踐成果

（一）水污染治理

1. 有機污染物降解：工農業(yè)生產和生活污水中含有大量有機污染物，如酚類、染料、抗生素等。光催化反應系統(tǒng)能有效將其分解。如陜西科技大學李偉副教授課題組將優(yōu)化的高活性 CdS/TiO? 異質結與有機鐵電 PVDF 復配，制備出復合光催化薄膜，可在弱光強下快速持久地降解含鉻廢水中的有機物，同時將 Cr (VI) 還原成 Cr (III)，免除二次污染危害 。

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

3. 水體富營養(yǎng)化治理：針對水體中過量的氮、磷等營養(yǎng)物質引發(fā)的富營養(yǎng)化問題，光催化可通過氧化分解含氮、磷的有機物，以及促進藻類等浮游生物的分解，緩解水體富營養(yǎng)化狀況。某些光催化劑能夠將含氮有機物氧化為氮氣，減少水體中氮含量 。

（二）大氣污染治理

1. 揮發(fā)性有機化合物（VOCs）凈化：工業(yè)廢氣、汽車尾氣以及室內裝修等釋放的 VOCs（如苯、甲苯、甲醛等）是大氣污染的重要來源，且部分具有致癌性。格瑞樂環(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 - 石墨烯復合光觸媒材料，對可見光響應波長延伸至 550nm，即使在室內弱光下也能激活強氧化性羥基自由基，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，杜絕二次污染風險 。

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。科研人員設計具有脫硝功能的吸附型光催化劑及光電催化反應器件，進行光 / 光電催化同步氧化 NO 的研究。通過構造特殊納米光催化劑，增強對 NO 的捕獲、活化，并與光催化技術相結合，在可見光照射下，光電協(xié)同催化 NO 的去除率達 80% 以上 。

3. 溫室氣體轉化：以 CO? 為例，利用光催化反應系統(tǒng)可將其還原為一氧化碳、甲烷、甲醇等有價值的化學品，實現(xiàn) CO? 的資源化利用。通過設計合適的光催化劑和反應體系，模擬植物光合作用原理，將太陽能轉化為化學能存儲在產物中，既緩解了溫室效應，又創(chuàng)造了經濟價值 。

（三）土壤污染修復

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

2. 重金屬污染修復輔助：對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，但可通過光催化反應改變重金屬的存在形態(tài)，促進其在土壤中的固定或植物提取。例如，光催化產生的物質可能與重金屬離子發(fā)生絡合等反應，降低其遷移性和生物有效性 。

四、挑戰(zhàn)與展望

      盡管光催化反應系統(tǒng)在環(huán)境凈化領域取得了顯著進展，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)定性有待進一步提升；光催化反應效率在實際復雜環(huán)境中易受影響；目前多數研究處于實驗室階段，向大規(guī)模工程應用的轉化還需克服諸多工程技術難題等 。

      展望未來，隨著材料科學、納米技術、工程設計等多學科的交叉融合發(fā)展，有望開發(fā)出更高效、穩(wěn)定且低成本的光催化材料與反應系統(tǒng)。一方面，通過深入研究光催化反應機理，精準設計和優(yōu)化光催化劑的結構與性能；另一方面，加強光催化技術與其他成熟環(huán)境凈化技術的集成應用，推動光催化反應系統(tǒng)在環(huán)境凈化領域實現(xiàn)更廣泛、更高效的實際應用，為全球環(huán)境改善提供強有力的技術支撐，助力實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標 。

產品展示

      近年來半導體行業(yè)的快速發(fā)展，超高純316L不銹鋼，符合SEMI F20標準，通過真空感應熔煉+真空自耗重熔（VIM+VAR），并使用特殊的工藝處理，對材料進行大程度的提純，進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）是表面經過電解拋光處理，以提高產品內部的平滑性，并在金屬表面形成富鉻層以提高耐腐蝕性，電解拋光后的產品做鈍化處理以去除游離鐵離子。EP拋光產品經 SEM、 ESCA/XPS、AES分析，產品質量滿足半導體協(xié)會 SEMI F20 標準。

      基于EP拋光（316L，VIM+VAR）技術的發(fā)展，鑫視科shinsco采用國內優(yōu)秀企業(yè)生產的EP管（316L，VIM+VAR）和EP自動閥門，替換了光催化活性評價系統(tǒng)的原有玻璃管路和閥門，并實現(xiàn)了PLC全面控制整套系統(tǒng)，實現(xiàn)了SSC-PCAE光催化活性評價系統(tǒng)的全自動化運行。

    SSC-PCAE光催化活性評價系統(tǒng)(Photocatalytic activity evaluation system)沿用半導體行業(yè)的真空技術，將玻璃管路和閥門替換為EP管和EP自動閥，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的全自動控制實驗過程，全自動在線采樣分析，實現(xiàn)了實驗中真正的全自動運行。SSC-PCAE光催化活性評價系統(tǒng)主要應用于光解水、全解水、電催化、光催化CO2還原、光催化固氮、光電催化氣體產物分析、耐壓釜式反應、催化反應的微量氣體收集等。

產品優(yōu)勢：

1)  封閉反應的產物氣體收集、采樣、在線分析的一體化系統(tǒng)；

2)  內置氣體磁力增壓泵，形成高強壓差，實現(xiàn)氣體快速混勻；

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

4)  應用半導體材料（TiO2、InO、C3N4、CdS等）催化劑的活性評價；

5)  催化劑產氫、產氧、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等材料制備的反應器使用

8) 可滿足光電反應、氣固反應、膜催化、多相反應等特殊實驗要求；

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

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

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