绿色化学合成旨在降低化学过程对环境的负面影响，太阳能催化作为一种新兴技术，利用太阳能驱动化学反应，为绿色化学合成开辟了新路径。本文阐述了太阳能催化应用于绿色化学合成的原理、优势，介绍了在过氧化氢合成、高值化学品制备等方面的研究进展，分析了当前面临的挑战，并对未来发展方向进行了展望。太阳能催化有望在绿色化学合成领域发挥关键作用，助力实现化学工业的可持续发展。

一、引言

       绿色化学，又称环境友好化学或清洁化学，致力于从源头上减少或消除化学产品在设计、生产和应用中有害物质的使用和产生，以实现化学过程的可持续性，保护人类健康和环境质量。传统化学合成方法常依赖有毒有害试剂和溶剂，产生大量废弃物和污染物，对生态系统和人类健康构成潜在威胁。因此，开发绿色、高效的化学合成技术迫在眉睫。

      太阳能作为一种丰富、清洁且可再生的能源，取之不尽、用之不竭。太阳能催化技术利用太阳能作为能量源，通过光催化剂激发光生电子和空穴，从而促进化学反应的进行，为绿色化学合成提供了创新途径。该技术能够减少对传统化石能源的依赖，降低化学过程中的能耗和污染物排放，符合绿色化学的核心原则，具有广阔的应用前景和重要的研究价值。

二、太阳能催化的基本原理

2.1 光激发过程

      太阳能催化的基础是光激发。当光催化剂（如常见的半导体材料二氧化钛 TiO₂、氧化锌 ZnO、硫化镉 CdS 等）受到能量高于其禁带宽度的光辐射时，价带上的电子会吸收光子能量，跃迁到导带上，形成光生电子（e⁻），同时在价带上留下空穴（h⁺），即产生光生电子 - 空穴对。例如，TiO₂的禁带宽度约为 3.2 eV，当波长小于 387.5 nm 的紫外光照射时，就会引发光激发过程 。

2.2 载流子的迁移与复合

    光生电子 - 空穴对形成后，在半导体内部电场作用下，它们会发生迁移，向半导体表面移动。在此过程中，部分光生电子和空穴可能会在半导体内部或表面发生复合。复合过程会以热能等形式释放能量，导致光催化效率降低。为提高太阳能催化效率，需要抑制载流子的复合，促进其迁移到表面参与化学反应 。

2.3 氧化还原反应

     迁移到半导体光催化剂表面的光生电子具有还原性，能够与吸附在表面的氧化性物质发生还原反应；而光生空穴具有氧化性，可与吸附的还原性物质发生氧化反应。以光催化分解水制氢为例，光生电子将水中的氢离子（H⁺）还原为氢气（H₂），光生空穴则将水氧化为氧气（O₂） 。

三、太阳能催化在绿色化学合成中的优势

3.1 环境友好

      太阳能催化利用太阳能这一清洁能源驱动反应，避免了传统化学合成中大量使用化石能源所带来的碳排放和其他污染物排放。同时，通过选择合适的光催化剂和反应体系，可以减少甚至避免使用有毒有害的试剂和溶剂，从源头降低化学过程对环境的负面影响 。

3.2 原子经济性高

      理想的太阳能催化反应能够精准地将反应物的原子转化为目标产物，提高原子利用率，减少副产物的生成。例如在某些有机合成反应中，光催化可以通过精确控制反应条件和光催化剂的选择性，使反应朝着生成目标产物的方向进行，减少原子的浪费，符合绿色化学对原子经济性的追求 。

3.3 反应条件温和

      相较于传统化学合成中常需要的高温、高压等苛刻条件，太阳能催化反应通常在常温、常压下即可进行。温和的反应条件不仅降低了能源消耗和设备要求，还减少了因高温高压可能带来的安全风险，提高了化学合成过程的安全性和可操作性 。

四、太阳能催化在绿色化学合成中的应用实例

4.1 过氧化氢的绿色合成

      过氧化氢（H₂O₂）是一种重要的绿色氧化剂和潜在的清洁燃料，在环境保护、化学合成、医疗消毒和废水处理等领域应用广泛。传统工业上大量合成 H₂O₂主要采用 “蒽醌法”，该工艺繁琐，且存在有机物环境污染严重等问题。利用太阳能通过光催化的方式，将水和氧气反应生成 H₂O₂，是一种极具吸引力的绿色合成途径。

      华东理工大学花建丽教授团队在这方面取得重要进展。他们将邻苯二酚氧化还原活性基团引入到共价有机框架（COFs）中，形成新的化学键储存并传输电子，有效抑制了光催化过程中的电荷复合，降低了 H₂O₂产生过程中的能垒。基于四苯基苯和邻苯二酚缩合构建的 TPB - COF - OH，可在纯水和空气中光催化全合成 H₂O₂，生成速率达 6608 μmol h⁻¹ g⁻¹，太阳能到化学能的转换效率（SCC）高达 0.84%，是目前 COFs 类光催化剂在太阳能驱动的 H₂O₂生产中的最高值之一 。

      此外，该团队还将吩嗪氧化还原活性单元引入到共轭微孔聚合物（CMPs）中，设计合成了一系列具有高效光催化活性的聚合物。其中基于四苯乙烯和吩嗪偶联构建的 TPE - PNZ 光催化合成 H₂O₂的速率为 5142 μmol h⁻¹ g⁻¹，SCC 达到 0.58%，是 CMPs 类光催化剂产 H₂O₂的最高值之一。吩嗪与二氢吩嗪的可逆互变有效促进了聚合物的电荷分离，同时促进 O₂的吸附和还原过程，实现了光催化剂高效率绿色合成 H₂O₂ 。

4.2 高值化学品的合成

      中国科学院青岛生物能源与过程研究所刘健团队通过优化光 / 电催化与酶催化的适配过程，发展了光 / 电 - 酶耦合新路径，实现了高值化学品的合成。

      该团队利用配位修饰策略合成了具有不对称层间极化特性的 Rh - ZnIn₂S₄光催化剂，促进了芳香醇底物的优先吸附以及 α - C - H 和 O - H 键活化，实现了氧化端芳香醇到芳香醛的高效、高选择性转化。同时，还原端生物辅因子 NADH 再生效率达到文献报道的最优水平，为偶联甲酸脱氢酶提供了适宜的底物动力学条件。在光照下，Rh - ZnIn₂S₄光催化剂能够同时实现芳香醇到芳香醛的选择性转化和 NADH 的高效再生，进而结合甲酸脱氢酶可实现 CO₂到甲酸盐的持续转化 。

      进一步，该团队开发了新型的电 - 酶耦合路径。利用 CO₂电还原产生的甲酸盐介导 NADH 再生进而驱动酶催化反应，实现了高价值化学品的连续合成。该工作利用铋基电催化剂，在较高的电流密度和选择性下稳定地将 CO₂还原转化为甲酸盐。原位生成的甲酸盐通过 Rh 络合物再生 NADH，与固定在基底上的脱氢酶结合，可进行目标化学品的高效连续合成，且基于酶的 TON 为 1.8×10⁶ ~ 3.1×10⁶，超过目前报道的水平 。

4.3 有机合成反应

      在有机合成领域，太阳能催化也展现出独特优势。传统有机合成反应常需大量有机溶剂，且反应条件苛刻、副反应多。光催化有机合成反应可在温和条件下进行，减少有机溶剂使用，提高反应选择性。

      南京理工大学杨勇课题组研究发现，无定形态的多孔有机聚合物（POPs）作为光催化剂，在光催化氧化、偶联、还原、环加成和聚合等有机反应中表现出良好性能。POPs 具有孔隙率高、化学稳定性好、结构可调、性能多样等优势，为有机合成提供了新的催化剂选择 。

五、太阳能催化用于绿色化学合成面临的挑战

5.1 光催化剂性能有待提高

      目前大多数光催化剂存在光吸收范围窄、光生载流子复合率高、催化活性和选择性不足等问题。例如常见的 TiO₂光催化剂，只能吸收紫外光，对占太阳能大部分能量的可见光响应较弱，限制了其太阳能利用效率。开发具有宽光谱响应、高载流子分离效率和高催化活性与选择性的新型光催化剂是亟待解决的关键问题 。

5.2 光能转换效率低

       尽管科研人员在不断努力，但目前太阳能催化体系的光能转换效率大多仍在较低水平，多数在 1% - 3% 甚至更低。低光能转换效率导致太阳能催化反应速率慢、产率低，难以满足大规模工业化生产需求。提高光能转换效率，需要从光催化剂设计、反应体系优化、光反应器设计等多方面进行深入研究 。

5.3 催化剂稳定性和寿命问题

      在实际应用中，光催化剂可能会受到光照、反应介质、温度等多种因素影响，导致其活性逐渐降低，寿命缩短。例如一些光催化剂在长时间光照下会发生光腐蚀现象，影响其催化性能和稳定性。如何提高光催化剂的稳定性，延长其使用寿命，是实现太阳能催化绿色化学合成工业化应用的重要挑战 。

5.4 反应机理研究不够深入

      太阳能催化反应涉及复杂的光物理和光化学过程，目前对于一些反应的具体机理尚未完全明晰。对反应机理认识不足，不利于精准设计和优化光催化剂及反应体系，阻碍了太阳能催化技术的进一步发展和应用。加强对太阳能催化反应机理的研究，借助先进的表征技术和理论计算手段，深入探究反应过程中的电子转移、能量传递等机制，具有重要意义 。

六、太阳能催化在绿色化学合成中的发展方向

6.1 新型光催化剂的设计与开发

       一方面，通过材料复合与改性，如构建异质结、掺杂等方式，优化现有光催化剂性能。例如将不同禁带宽度的半导体材料复合，形成异质结，促进光生载流子的分离，拓宽光吸收范围。另一方面，探索新型光催化材料，如金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）、二维材料等，利用其独特的结构和性能，开发高效光催化剂 。

6.2 提高光能转换效率的策略研究

       从光捕获、载流子传输与分离、催化反应动力学等多环节入手，提高光能转换效率。设计高效的光捕获结构，如采用纳米结构、光子晶体等增强光吸收；优化光催化剂的电子结构，提高载流子迁移速率，抑制复合；深入研究催化反应动力学，优化反应条件，提高反应速率和选择性 。

6.3 光催化反应体系的优化与集成

      开发新型光反应器，优化光的分布和利用效率，实现反应过程的连续化和规模化。将太阳能催化与其他技术，如电催化、生物催化等耦合，构建协同催化体系，发挥不同技术优势，提高整体催化效率和产物选择性 。

6.4 深入研究反应机理

      结合先进的原位表征技术，如原位光谱、原位电镜等，实时监测太阳能催化反应过程中的中间物种和变化，结合理论计算，深入解析反应机理，为光催化剂设计和反应体系优化提供坚实理论基础 。

七、结论

      太阳能催化技术为绿色化学合成提供了一条极具潜力的新路径，在实现化学工业可持续发展方面具有重要意义。通过利用太阳能驱动化学反应，该技术展现出环境友好、原子经济性高、反应条件温和等显著优势，并在过氧化氢合成、高值化学品制备、有机合成等多个领域取得了令人瞩目的研究进展。然而，目前太阳能催化技术在光催化剂性能、光能转换效率、催化剂稳定性以及反应机理研究等方面仍面临诸多挑战。

      未来，通过持续开展新型光催化剂的设计与开发、提高光能转换效率的策略研究、光催化反应体系的优化与集成以及深入探究反应机理等工作，有望突破现有技术瓶颈，推动太阳能催化技术在绿色化学合成领域实现更广泛的应用和更大规模的工业化生产，为解决化学工业面临的环境和可持续发展问题提供切实可行的解决方案，助力人类社会迈向更加绿色、低碳的未来 。

产品展示

        SSC-CTR900 催化高温反应仪适用于常规高温高压催化反应、光热协同化、催化剂的评价及筛选、可做光催化的反应动力学、反应历程等方面的研究。主要应用到高温高压光热催化反应，光热协同催化，具体可用于半导体材料的合成烧结、催化剂材料的制备、催化剂材料的活性评价、光解水制氢、光解水制氧、二氧化碳还原、气相光催化、甲醛乙醛气体的光催化降解、苯系物的降解分析、VOCs、NOx、SOx、固氮等领域。实现气固液多相体系催化反应，气固高温高压的催化反应，满足大多数催化剂的评价需求。

产品优势：

      SSC-CTR900催化高温反应仪的优势特点

     1)高温高压催化反应仪可实现催化高温<900℃C高压<10MPa反应实验

     2)紫外、可见、红外等光源照射到催化剂材料的表面，实现光热协同和光诱导催化;

     3)光热催化反应器采用高透光石英玻璃管，也可以采用高压反应管，兼容≤30mm 反应管;

     4)可以实现气氛保护、抽取真空、PECVD、多种气体流量控制等功能;

     5)可以外接鼓泡配气、背压阀、气液分离器、气相色谱等，实现各种功能的扩展;

     6) 采取模块化设计，可以实现光源、高温反应炉、高温石英反应器、高真空、固定床反应、光热反应等匹配使用;

     7) 高温高压催化反应仪，小的占地面积，可多功能灵活，即买即用。