在能源與環(huán)境問題日益突出的背景下，光催化技術(shù)作為一種具潛力的綠色技術(shù)，受到了廣泛關(guān)注。準(zhǔn)確評估光催化劑的活性是推動該技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的關(guān)鍵。本文聚焦于原位表征技術(shù)集成下的光催化活性動態(tài)評價(jià)系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的原理、組成部分，以及原位表征技術(shù)在此系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用。通過對相關(guān)研究案例的分析，展示了該系統(tǒng)在光催化研究中的應(yīng)用成果，為深入理解光催化反應(yīng)機(jī)理、開發(fā)高效光催化劑提供了有力支持，同時(shí)也對未來該領(lǐng)域的研究方向進(jìn)行了展望。

一、引言

      光催化技術(shù)利用太陽能驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)，在能源轉(zhuǎn)化（如光解水制氫、太陽能燃料合成）和環(huán)境凈化（如有機(jī)污染物降解、殺菌消毒）等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。光催化劑的活性是決定光催化反應(yīng)效率的核心因素，因此，開發(fā)準(zhǔn)確、有效的光催化活性評價(jià)方法至關(guān)重要。傳統(tǒng)的光催化活性評價(jià)方法多為非原位檢測，無法實(shí)時(shí)獲取反應(yīng)過程中的關(guān)鍵信息，難以深入理解光催化反應(yīng)機(jī)理。原位表征技術(shù)能夠在光催化反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，對催化劑的結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)以及反應(yīng)中間物種等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，為光催化活性的動態(tài)評價(jià)提供了新的途徑。將原位表征技術(shù)集成到光催化活性評價(jià)系統(tǒng)中，有助于揭示光催化反應(yīng)過程中的動態(tài)變化，為優(yōu)化光催化劑性能、設(shè)計(jì)新型光催化劑提供科學(xué)依據(jù)。

二、光催化活性評價(jià)基礎(chǔ)

（1）光催化反應(yīng)原理

      光催化反應(yīng)基于半導(dǎo)體材料的光電特性。當(dāng)能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子照射到光催化劑表面時(shí)，光子被吸收，激發(fā)產(chǎn)生電子 - 空穴對。光生電子具有還原性，空穴具有氧化性，它們遷移到催化劑表面，與吸附在表面的反應(yīng)物分子發(fā)生氧化還原反應(yīng)。以光解水制氫為例，光生空穴氧化水生成氧氣，光生電子還原質(zhì)子生成氫氣；在光催化降解有機(jī)污染物過程中，光生空穴將有機(jī)污染物逐步氧化為二氧化碳和水等小分子無機(jī)物。

（2）光催化活性評價(jià)指標(biāo)

1.光催化活性

      這是評價(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，常用每小時(shí)每克催化劑產(chǎn)生氫氣的摩爾數(shù)（mol?h?1?g?1）表示；對于光催化降解有機(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，某光催化劑在一定條件下，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

      光催化劑在長時(shí)間運(yùn)行過程中保持活性的能力至關(guān)重要。評價(jià)系統(tǒng)需監(jiān)測催化劑在多個(gè)反應(yīng)循環(huán)或長時(shí)間連續(xù)反應(yīng)后的活性變化。穩(wěn)定的光催化劑在長時(shí)間反應(yīng)后，其活性下降幅度應(yīng)在可接受范圍內(nèi)。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)為該催化劑穩(wěn)定性較好。

3.選擇性

      在一些復(fù)雜的光催化反應(yīng)體系中，可能產(chǎn)生多種產(chǎn)物，光催化劑對目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性成為重要指標(biāo)。選擇性指目標(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 方面具有較高選擇性。

三、原位表征技術(shù)及其在光催化中的應(yīng)用

（1）原位拉曼光譜技術(shù)

      原位拉曼光譜能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測光催化反應(yīng)過程中催化劑的晶格結(jié)構(gòu)、應(yīng)力變化以及分子振動信息。例如，在研究 CdS 光催化劑的光腐蝕問題時(shí)，通過原位拉曼光譜發(fā)現(xiàn)，在光催化產(chǎn)氫反應(yīng)過程中，不同氣氛下 CdS 的晶格應(yīng)力和電子 - 聲子相互作用會發(fā)生變化，且光腐蝕早期雖無明顯 S 元素價(jià)態(tài)變化，但晶格應(yīng)力增加可被精確檢測到，這為光腐蝕的早期發(fā)現(xiàn)與抑制提供了依據(jù)。在 TiO?光催化劑的研究中，利用原位升溫拉曼光譜技術(shù)，可獲得 TiO?從無定形態(tài)向銳鈦礦轉(zhuǎn)變以及銳鈦礦相向金紅石相轉(zhuǎn)變的溫度趨勢和過程信息，揭示原料、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)及時(shí)間與晶體晶相轉(zhuǎn)變之間的關(guān)系。

（2）原位 X 射線光電子能譜技術(shù)

      原位 X 射線光電子能譜（XPS）可用于分析光催化劑表面元素的化學(xué)狀態(tài)、電子結(jié)合能等信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測反應(yīng)過程中催化劑表面元素的價(jià)態(tài)變化、吸附物種的變化等。例如，在研究光催化 CO?還原反應(yīng)時(shí)，通過原位 XPS 可以觀察到催化劑表面活性位點(diǎn)上 CO?吸附和轉(zhuǎn)化過程中相關(guān)元素的化學(xué)狀態(tài)變化，有助于理解反應(yīng)機(jī)理和確定活性中心。

（3）原位紫外光電子能譜技術(shù)

      原位紫外光電子能譜（UPS）能夠提供光催化劑表面電子結(jié)構(gòu)、功函數(shù)等信息。在光催化反應(yīng)中，通過監(jiān)測 UPS 信號的變化，可以了解光生載流子的產(chǎn)生、遷移和復(fù)合過程，以及反應(yīng)物分子與催化劑表面的相互作用情況，為研究光催化反應(yīng)動力學(xué)提供重要依據(jù)。

（4）原位質(zhì)譜技術(shù)

      原位質(zhì)譜可實(shí)時(shí)檢測光催化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物和中間物種，確定其種類和濃度隨時(shí)間的變化。例如，在光解水制氫和光催化 CO?還原反應(yīng)中，利用原位質(zhì)譜能夠快速、準(zhǔn)確地檢測到氫氣、一氧化碳、甲烷等產(chǎn)物的生成，以及反應(yīng)過程中可能產(chǎn)生的自由基等中間物種，為深入研究反應(yīng)路徑提供直接證據(jù)。

（5）原位紅外光譜技術(shù)

      原位紅外光譜可用于監(jiān)測光催化反應(yīng)過程中反應(yīng)物、產(chǎn)物以及吸附在催化劑表面的中間物種的紅外吸收特征，從而推斷反應(yīng)機(jī)理。例如，在光催化 CO?還原反應(yīng)中，通過原位紅外光譜可以檢測到 CO?還原過程中的關(guān)鍵中間體 COOH * 的特征吸收峰，證實(shí)其在反應(yīng)中的存在和作用。在研究光催化劑表面與反應(yīng)物分子的相互作用時(shí)，原位紅外光譜也能提供豐富的信息。

四、原位表征技術(shù)集成下的光催化活性動態(tài)評價(jià)系統(tǒng)構(gòu)建

（1）系統(tǒng)組成

1.光源模塊

      光源是光催化反應(yīng)的能量輸入源。常見的光源有氙燈和 LED 燈。氙燈能模擬太陽光的連續(xù)光譜，覆蓋紫外到可見甚至近紅外波段，適用于研究光催化劑在全光譜下的活性；LED 燈能耗低、壽命長且波長可精確選擇，可根據(jù)光催化劑的吸收特性選用，聚焦特定波段的光催化反應(yīng)研究。例如，研究 TiO?光催化劑時(shí)，因其對紫外光響應(yīng)強(qiáng)，常搭配特定紫外波長的 LED 燈。光源的材質(zhì)多采用石英玻璃等透光性好且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的材料，確保光線高效穿透進(jìn)入反應(yīng)體系，且不與反應(yīng)物或催化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

2.反應(yīng)腔室模塊

      反應(yīng)腔室是光催化反應(yīng)發(fā)生的場所，需具備良好的密封性和光學(xué)性能。其材質(zhì)通常選用耐腐蝕、透光性好的材料，如石英玻璃。反應(yīng)腔室應(yīng)能精確控制反應(yīng)條件，如溫度、壓力、反應(yīng)物濃度等。在涉及氣體參與的光催化反應(yīng)中，如光解水制氫、光催化 CO?還原，反應(yīng)腔室需具備良好的真空密封性能，排除外界氣體干擾，保證反應(yīng)體系純凈，同時(shí)能精確控制反應(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)氣體流量精度控制在 ±1% 以內(nèi)。反應(yīng)腔室還應(yīng)配備高精度溫度控制系統(tǒng)，常見控溫方式有電加熱、水冷等，能將溫度控制在設(shè)定值的 ±1℃范圍內(nèi)。

3.原位表征模塊

      該模塊集成了多種原位表征技術(shù)。如原位拉曼光譜儀、原位 X 射線光電子能譜儀、原位紫外光電子能譜儀、原位質(zhì)譜儀和原位紅外光譜儀等。這些儀器可在光催化反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，實(shí)時(shí)對催化劑的結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)、反應(yīng)中間物種等進(jìn)行監(jiān)測。為實(shí)現(xiàn)各原位表征儀器與反應(yīng)腔室的有效連接和協(xié)同工作，需設(shè)計(jì)專門的接口和樣品傳輸裝置，確保在不破壞反應(yīng)體系的前提下，獲取準(zhǔn)確的原位表征數(shù)據(jù)。

4.檢測與分析模塊

      檢測與分析模塊用于檢測反應(yīng)產(chǎn)物的種類與濃度。對于氣體產(chǎn)物，常用氣相色譜（GC）進(jìn)行分析，可精確測定氫氣、氧氣、一氧化碳、二氧化碳等氣體的含量。質(zhì)譜（MS）可用于對復(fù)雜產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)鑒定，核磁共振（NMR）也可在某些情況下用于產(chǎn)物分析，為深入理解光催化反應(yīng)機(jī)理提供依據(jù)。該模塊還配備數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)采集各檢測儀器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析、存儲和可視化展示，便于研究人員直觀了解光催化反應(yīng)過程中的動態(tài)變化。

（2）系統(tǒng)工作流程

      首先，將光催化劑樣品放置于反應(yīng)腔室中，通過氣路控制系統(tǒng)向反應(yīng)腔室中通入適量的反應(yīng)物氣體，并調(diào)節(jié)反應(yīng)腔室的溫度、壓力等條件至設(shè)定值。開啟光源模塊，光子照射到光催化劑表面，引發(fā)光催化反應(yīng)。在反應(yīng)過程中，原位表征模塊中的各儀器同步工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測催化劑的結(jié)構(gòu)變化、表面物種吸附與反應(yīng)情況以及反應(yīng)中間物種的生成與轉(zhuǎn)化。例如，原位拉曼光譜儀監(jiān)測催化劑晶格結(jié)構(gòu)變化，原位 X 射線光電子能譜儀分析催化劑表面元素化學(xué)狀態(tài)變化，原位質(zhì)譜儀檢測反應(yīng)產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物和中間物種。檢測與分析模塊對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和分析，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)收集并處理來自原位表征模塊和檢測與分析模塊的數(shù)據(jù)，生成光催化活性隨時(shí)間變化的曲線，以及催化劑結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)等參數(shù)的動態(tài)變化信息，從而實(shí)現(xiàn)對光催化活性的動態(tài)評價(jià)。

五、原位表征技術(shù)集成下光催化活性動態(tài)評價(jià)系統(tǒng)的應(yīng)用案例

（1）光解水制氫研究

      科研人員利用該系統(tǒng)篩選和優(yōu)化高效光催化劑，以提高太陽能到氫能的轉(zhuǎn)化效率。通過對一系列基于 TiO?的復(fù)合光催化劑進(jìn)行活性評價(jià)，發(fā)現(xiàn)摻雜一定量過渡金屬（如 Fe、Co 等）能顯著提高 TiO?的光催化產(chǎn)氫活性。在某光催化活性評價(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 5 mmol?h?1?g?1，相比純 TiO?催化劑提高了近 3 倍。原位表征技術(shù)揭示了摻雜過渡金屬后，催化劑的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，促進(jìn)了光生載流子的分離與傳輸，從而提高了光催化產(chǎn)氫活性。

（2）太陽能燃料合成研究

       在太陽能驅(qū)動的 CO?還原合成燃料研究中，該系統(tǒng)用于評價(jià)不同催化劑對 CO?還原產(chǎn)物的選擇性和活性。某研究團(tuán)隊(duì)利用光催化活性評價(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 CO?還原生成 CH?的選擇性高達(dá) 60%。通過原位表征技術(shù)發(fā)現(xiàn)，該催化劑表面存在特定的活性位點(diǎn)，能夠優(yōu)先吸附和活化 CO?分子，并促進(jìn)其向 CH?的轉(zhuǎn)化，為緩解溫室效應(yīng)和實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)利用提供了新途徑。

（3）有機(jī)污染物降解研究

      在光催化降解水中和空氣中有機(jī)污染物的研究中，該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。例如，在對某新型光催化劑降解羅丹明 B 染料廢水的研究中，利用光催化活性評價(jià)系統(tǒng)監(jiān)測發(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。原位表征技術(shù)顯示，光催化反應(yīng)過程中，催化劑表面產(chǎn)生的光生空穴和活性氧物種能夠有效攻擊羅丹明 B 分子，使其逐步降解為小分子無機(jī)物。在大氣污染治理方面，該系統(tǒng)用于評價(jià)光催化劑對揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）、氮氧化物（NOx）等污染物的去除效果。某負(fù)載型 TiO?光催化劑在光催化活性評價(jià)系統(tǒng)中對甲苯的降解實(shí)驗(yàn)表明，在模擬太陽光照射下，該催化劑能有效將甲苯降解為 CO?和 H?O，降低空氣中甲苯濃度。

（4）殺菌消毒研究

      光催化技術(shù)在殺菌消毒領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值，光催化活性評價(jià)系統(tǒng)可評估光催化劑對細(xì)菌、病毒等微生物的滅活效果。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產(chǎn)生強(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。在光催化活性評價(jià)系統(tǒng)中，經(jīng)過一定時(shí)間光照處理后，細(xì)菌存活率可降低至 1% 以下。原位表征技術(shù)有助于揭示光催化劑與微生物相互作用的機(jī)制，為開發(fā)高效殺菌消毒光催化劑提供理論支持。

六、結(jié)論與展望

（1）研究結(jié)論

      本文詳細(xì)闡述了原位表征技術(shù)集成下的光催化活性動態(tài)評價(jià)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了多種原位表征技術(shù)，能夠在光催化反應(yīng)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測催化劑的結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)以及反應(yīng)中間物種等信息，實(shí)現(xiàn)對光催化活性的動態(tài)、全面評價(jià)。通過對系統(tǒng)組成、工作流程以及應(yīng)用案例的分析，展示了該系統(tǒng)在光催化研究中的重要作用。在光解水制氫、太陽能燃料合成、有機(jī)污染物降解和殺菌消毒等領(lǐng)域的應(yīng)用中，該系統(tǒng)為深入理解光催化反應(yīng)機(jī)理、開發(fā)高效光催化劑提供了有力工具，推動了光催化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

（2）研究展望

      未來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，原位表征技術(shù)集成下的光催化活性動態(tài)評價(jià)系統(tǒng)有望在以下幾個(gè)方面取得進(jìn)一步發(fā)展：一是提高原位表征技術(shù)的分辨率和靈敏度，實(shí)現(xiàn)對光催化反應(yīng)過程中更細(xì)微變化的監(jiān)測，深入探究光催化反應(yīng)的微觀機(jī)理；二是進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的集成度和自動化程度，提高實(shí)驗(yàn)效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，降低實(shí)驗(yàn)成本；三是拓展該系統(tǒng)在更多復(fù)雜光催化反應(yīng)體系中的應(yīng)用，如多相光催化、光催化電化學(xué)反應(yīng)等，為解決實(shí)際能源和環(huán)境問題提供更有效的技術(shù)支撐；四是結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)，對大量的原位表征數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和分析，加速新型光催化劑的設(shè)計(jì)與開發(fā)。總之，原位表征技術(shù)集成下的光催化活性動態(tài)評價(jià)系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景，將在光催化領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

產(chǎn)品展示

      近年來半導(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 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采用國內(nèi)優(yōu)秀企業(yè)生產(chǎn)的EP管（316L，VIM+VAR）和EP自動閥門，替換了光催化活性評價(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光催化活性評價(jià)系統(tǒng)的全自動化運(yùn)行。

      SSC-PCAE光催化活性評價(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自動閥，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的全自動控制實(shí)驗(yàn)過程，全自動在線采樣分析，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中真正的全自動運(yùn)行。SSC-PCAE光催化活性評價(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：

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測試范圍廣，氫、氧、CO2、甲烷、CO、甲醛、C1-C5等微量氣體；