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

一、引言

      光催化技術利用太陽能驅動化學反應，在能源轉化（如光解水制氫、太陽能燃料合成）和環(huán)境凈化（如有機污染物降解、殺菌消毒）等領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。光催化劑的活性是決定光催化反應效率的核心因素，因此，開發(fā)準確、有效的光催化活性評價方法至關重要。傳統(tǒng)的光催化活性評價方法多為非原位檢測，無法實時獲取反應過程中的關鍵信息，難以深入理解光催化反應機理。原位表征技術能夠在光催化反應進行的同時，對催化劑的結構、表面性質以及反應中間物種等進行實時監(jiān)測，為光催化活性的動態(tài)評價提供了新的途徑。將原位表征技術集成到光催化活性評價系統(tǒng)中，有助于揭示光催化反應過程中的動態(tài)變化，為優(yōu)化光催化劑性能、設計新型光催化劑提供科學依據(jù)。

二、光催化活性評價基礎

（1）光催化反應原理

      光催化反應基于半導體材料的光電特性。當能量大于半導體禁帶寬度的光子照射到光催化劑表面時，光子被吸收，激發(fā)產生電子 - 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物分子發(fā)生氧化還原反應。以光解水制氫為例，光生空穴氧化水生成氧氣，光生電子還原質子生成氫氣；在光催化降解有機污染物過程中，光生空穴將有機污染物逐步氧化為二氧化碳和水等小分子無機物。

（2）光催化活性評價指標

1.光催化活性

      這是評價系統(tǒng)最核心的指標，通常以單位時間內單位質量（或單位面積）催化劑上目標產物的生成量來衡量。在光解水制氫反應中，常用每小時每克催化劑產生氫氣的摩爾數(shù)（mol?h?1?g?1）表示；對于光催化降解有機污染物，常以單位時間內污染物的降解率來表征。例如，某光催化劑在一定條件下，1 小時內將初始濃度為 100 ppm 的有機污染物降解至 10 ppm，則其降解率為 90%。

2.穩(wěn)定性

      光催化劑在長時間運行過程中保持活性的能力至關重要。評價系統(tǒng)需監(jiān)測催化劑在多個反應循環(huán)或長時間連續(xù)反應后的活性變化。穩(wěn)定的光催化劑在長時間反應后，其活性下降幅度應在可接受范圍內。如經過 100 小時連續(xù)光催化反應后，某催化劑的活性仍能保持初始活性的 80% 以上，則可認為該催化劑穩(wěn)定性較好。

3.選擇性

      在一些復雜的光催化反應體系中，可能產生多種產物，光催化劑對目標產物的選擇性成為重要指標。選擇性指目標產物在所有產物中所占的比例。例如，在光催化 CO?還原反應中，可能生成 CO、CH?、CH?OH 等多種產物，若某催化劑對生成 CH?OH 的選擇性達到 80%，則表明該催化劑在將 CO?轉化為 CH?OH 方面具有較高選擇性。

三、原位表征技術及其在光催化中的應用

（1）原位拉曼光譜技術

      原位拉曼光譜能夠實時監(jiān)測光催化反應過程中催化劑的晶格結構、應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，通過原位拉曼光譜發(fā)現(xiàn)，在光催化產氫反應過程中，不同氣氛下 CdS 的晶格應力和電子 - 聲子相互作用會發(fā)生變化，且光腐蝕早期雖無明顯 S 元素價態(tài)變化，但晶格應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，可獲得 TiO?從無定形態(tài)向銳鈦礦轉變以及銳鈦礦相向金紅石相轉變的溫度趨勢和過程信息，揭示原料、產物結構及時間與晶體晶相轉變之間的關系。

（2）原位 X 射線光電子能譜技術

      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狀態(tài)、電子結合能等信息，實時監(jiān)測反應過程中催化劑表面元素的價態(tài)變化、吸附物種的變化等。例如，在研究光催化 CO?還原反應時，通過原位 XPS 可以觀察到催化劑表面活性位點上 CO?吸附和轉化過程中相關元素的化學狀態(tài)變化，有助于理解反應機理和確定活性中心。

（3）原位紫外光電子能譜技術

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

（4）原位質譜技術

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

（5）原位紅外光譜技術

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

四、原位表征技術集成下的光催化活性動態(tài)評價系統(tǒng)構建

（1）系統(tǒng)組成

1.光源模塊

      光源是光催化反應的能量輸入源。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研究。例如，研究 TiO?光催化劑時，因其對紫外光響應強，常搭配特定紫外波長的 LED 燈。光源的材質多采用石英玻璃等透光性好且化學性質穩(wěn)定的材料，確保光線高效穿透進入反應體系，且不與反應物或催化劑發(fā)生化學反應。

2.反應腔室模塊

      反應腔室是光催化反應發(fā)生的場所，需具備良好的密封性和光學性能。其材質通常選用耐腐蝕、透光性好的材料，如石英玻璃。反應腔室應能精確控制反應條件，如溫度、壓力、反應物濃度等。在涉及氣體參與的光催化反應中，如光解水制氫、光催化 CO?還原，反應腔室需具備良好的真空密封性能，排除外界氣體干擾，保證反應體系純凈，同時能精確控制反應氣體的流量、壓力和組成。例如，通過質量流量控制器可將反應氣體流量精度控制在 ±1% 以內。反應腔室還應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，能將溫度控制在設定值的 ±1℃范圍內。

3.原位表征模塊

      該模塊集成了多種原位表征技術。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、原位質譜儀和原位紅外光譜儀等。這些儀器可在光催化反應進行時，實時對催化劑的結構、表面性質、反應中間物種等進行監(jiān)測。為實現(xiàn)各原位表征儀器與反應腔室的有效連接和協(xié)同工作，需設計專門的接口和樣品傳輸裝置，確保在不破壞反應體系的前提下，獲取準確的原位表征數(shù)據(jù)。

4.檢測與分析模塊

      檢測與分析模塊用于檢測反應產物的種類與濃度。對于氣體產物，常用氣相色譜（GC）進行分析，可精確測定氫氣、氧氣、一氧化碳、二氧化碳等氣體的含量。質譜（MS）可用于對復雜產物的結構鑒定，核磁共振（NMR）也可在某些情況下用于產物分析，為深入理解光催化反應機理提供依據(jù)。該模塊還配備數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，能實時采集各檢測儀器的數(shù)據(jù)，并進行分析、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腔室中，通過氣路控制系統(tǒng)向反應腔室中通入適量的反應物氣體，并調節(jié)反應腔室的溫度、壓力等條件至設定值。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。在反應過程中，原位表征模塊中的各儀器同步工作，實時監(jiān)測催化劑的結構變化、表面物種吸附與反應情況以及反應中間物種的生成與轉化。例如，原位拉曼光譜儀監(jiān)測催化劑晶格結構變化，原位 X 射線光電子能譜儀分析催化劑表面元素化學狀態(tài)變化，原位質譜儀檢測反應產生的氣態(tài)產物和中間物種。檢測與分析模塊對反應產物進行實時檢測和分析，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間變化的曲線，以及催化劑結構和表面性質等參數(shù)的動態(tài)變化信息，從而實現(xiàn)對光催化活性的動態(tài)評價。

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

（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化效率。通過對一系列基于 TiO?的復合光催化劑進行活性評價，發(fā)現(xiàn)摻雜一定量過渡金屬（如 Fe、Co 等）能顯著提高 TiO?的光催化產氫活性。在某光催化活性評價系統(tǒng)中，優(yōu)化后的 TiO? - Fe 復合催化劑在模擬太陽光照射下，產氫速率達到 5 mmol?h?1?g?1，相比純 TiO?催化劑提高了近 3 倍。原位表征技術揭示了摻雜過渡金屬后，催化劑的電子結構發(fā)生變化，促進了光生載流子的分離與傳輸，從而提高了光催化產氫活性。

（2）太陽能燃料合成研究

       在太陽能驅動的 CO?還原合成燃料研究中，該系統(tǒng)用于評價不同催化劑對 CO?還原產物的選擇性和活性。某研究團隊利用光催化活性評價系統(tǒng)篩選出一種基于 Cu?O 的催化劑，在特定反應條件下，對 CO?還原生成 CH?的選擇性高達 60%。通過原位表征技術發(fā)現(xiàn)，該催化劑表面存在特定的活性位點，能夠優(yōu)先吸附和活化 CO?分子，并促進其向 CH?的轉化，為緩解溫室效應和實現(xiàn)碳循環(huán)利用提供了新途徑。

（3）有機污染物降解研究

      在光催化降解水中和空氣中有機污染物的研究中，該系統(tǒng)廣泛應用。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 小時內可將羅丹明 B 的降解率提高至 95% 以上。原位表征技術顯示，光催化反應過程中，催化劑表面產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物。在大氣污染治理方面，該系統(tǒng)用于評價光催化劑對揮發(fā)性有機化合物（VOCs）、氮氧化物（NOx）等污染物的去除效果。某負載型 TiO?光催化劑在光催化活性評價系統(tǒng)中對甲苯的降解實驗表明，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

      光催化技術在殺菌消毒領域具有潛在應用價值，光催化活性評價系統(tǒng)可評估光催化劑對細菌、病毒等微生物的滅活效果。實驗發(fā)現(xiàn)，某些具有特定結構的光催化劑在光照條件下能產生強氧化性的活性氧物種，破壞細菌的細胞壁和細胞膜，實現(xiàn)對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等常見細菌的高效滅活。在光催化活性評價系統(tǒng)中，經過一定時間光照處理后，細菌存活率可降低至 1% 以下。原位表征技術有助于揭示光催化劑與微生物相互作用的機制，為開發(fā)高效殺菌消毒光催化劑提供理論支持。

六、結論與展望

（1）研究結論

      本文詳細闡述了原位表征技術集成下的光催化活性動態(tài)評價系統(tǒng)，該系統(tǒng)結合了多種原位表征技術，能夠在光催化反應過程中實時監(jiān)測催化劑的結構、表面性質以及反應中間物種等信息，實現(xiàn)對光催化活性的動態(tài)、全面評價。通過對系統(tǒng)組成、工作流程以及應用案例的分析，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、有機污染物降解和殺菌消毒等領域的應用中，該系統(tǒng)為深入理解光催化反應機理、開發(fā)高效光催化劑提供了有力工具，推動了光催化技術的發(fā)展與應用。

（2）研究展望

      未來，隨著科學技術的不斷進步，原位表征技術集成下的光催化活性動態(tài)評價系統(tǒng)有望在以下幾個方面取得進一步發(fā)展：一是提高原位表征技術的分辨率和靈敏度，實現(xiàn)對光催化反應過程中更細微變化的監(jiān)測，深入探究光催化反應的微觀機理；二是進一步優(yōu)化系統(tǒng)的集成度和自動化程度，提高實驗效率和數(shù)據(jù)準確性，降低實驗成本；三是拓展該系統(tǒng)在更多復雜光催化反應體系中的應用，如多相光催化、光催化電化學反應等，為解決實際能源和環(huán)境問題提供更有效的技術支撐；四是結合人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術，對大量的原位表征數(shù)據(jù)進行深度挖掘和分析，加速新型光催化劑的設計與開發(fā)?？傊?，原位表征技術集成下的光催化活性動態(tài)評價系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景，將在光催化領域發(fā)揮越來越重要的作用。

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；