在能源与环境问题日益突出的背景下，光催化技术作为一种极具潜力的绿色技术，受到了广泛关注。准确评估光催化剂的活性是推动该技术发展与应用的关键。本文聚焦于原位表征技术集成下的光催化活性动态评价系统，详细阐述了该系统的原理、组成部分，以及原位表征技术在此系统中的关键作用。通过对相关研究案例的分析，展示了该系统在光催化研究中的应用成果，为深入理解光催化反应机理、开发高效光催化剂提供了有力支持，同时也对未来该领域的研究方向进行了展望。​

一、引言​

      光催化技术利用太阳能驱动化学反应，在能源转化（如光解水制氢、太阳能燃料合成）和环境净化（如有机污染物降解、杀菌消毒）等领域展现出巨大的应用潜力。光催化剂的活性是决定光催化反应效率的核心因素，因此，开发准确、有效的光催化活性评价方法至关重要。传统的光催化活性评价方法多为非原位检测，无法实时获取反应过程中的关键信息，难以深入理解光催化反应机理。原位表征技术能够在光催化反应进行的同时，对催化剂的结构、表面性质以及反应中间物种等进行实时监测，为光催化活性的动态评价提供了新的途径。将原位表征技术集成到光催化活性评价系统中，有助于揭示光催化反应过程中的动态变化，为优化光催化剂性能、设计新型光催化剂提供科学依据。​

二、光催化活性评价基础​

（1）光催化反应原理​

      光催化反应基于半导体材料的光电特性。当能量大于半导体禁带宽度的光子照射到光催化剂表面时，光子被吸收，激发产生电子 - 空穴对。光生电子具有还原性，空穴具有氧化性，它们迁移到催化剂表面，与吸附在表面的反应物分子发生氧化还原反应。以光解水制氢为例，光生空穴氧化水生成氧气，光生电子还原质子生成氢气；在光催化降解有机污染物过程中，光生空穴将有机污染物逐步氧化为二氧化碳和水等小分子无机物。​

（2）光催化活性评价指标​

1.光催化活性​

      这是评价系统最核心的指标，通常以单位时间内单位质量（或单位面积）催化剂上目标产物的生成量来衡量。在光解水制氢反应中，常用每小时每克催化剂产生氢气的摩尔数（mol・h⁻¹・g⁻¹）表示；对于光催化降解有机污染物，常以单位时间内污染物的降解率来表征。例如，某光催化剂在一定条件下，1 小时内将初始浓度为 100 ppm 的有机污染物降解至 10 ppm，则其降解率为 90%。​

2.稳定性​

      光催化剂在长时间运行过程中保持活性的能力至关重要。评价系统需监测催化剂在多个反应循环或长时间连续反应后的活性变化。稳定的光催化剂在长时间反应后，其活性下降幅度应在可接受范围内。如经过 100 小时连续光催化反应后，某催化剂的活性仍能保持初始活性的 80% 以上，则可认为该催化剂稳定性较好。​

3.选择性​

      在一些复杂的光催化反应体系中，可能产生多种产物，光催化剂对目标产物的选择性成为重要指标。选择性指目标产物在所有产物中所占的比例。例如，在光催化 CO₂还原反应中，可能生成 CO、CH₄、CH₃OH 等多种产物，若某催化剂对生成 CH₃OH 的选择性达到 80%，则表明该催化剂在将 CO₂转化为 CH₃OH 方面具有较高选择性。​

三、原位表征技术及其在光催化中的应用​

（1）原位拉曼光谱技术​

      原位拉曼光谱能够实时监测光催化反应过程中催化剂的晶格结构、应力变化以及分子振动信息。例如，在研究 CdS 光催化剂的光腐蚀问题时，通过原位拉曼光谱发现，在光催化产氢反应过程中，不同气氛下 CdS 的晶格应力和电子 - 声子相互作用会发生变化，且光腐蚀早期虽无明显 S 元素价态变化，但晶格应力增加可被精确检测到，这为光腐蚀的早期发现与抑制提供了依据。在 TiO₂光催化剂的研究中，利用原位升温拉曼光谱技术，可获得 TiO₂从无定形态向锐钛矿转变以及锐钛矿相向金红石相转变的温度趋势和过程信息，揭示原料、产物结构及时间与晶体晶相转变之间的关系。​

（2）原位 X 射线光电子能谱技术​

      原位 X 射线光电子能谱（XPS）可用于分析光催化剂表面元素的化学状态、电子结合能等信息，实时监测反应过程中催化剂表面元素的价态变化、吸附物种的变化等。例如，在研究光催化 CO₂还原反应时，通过原位 XPS 可以观察到催化剂表面活性位点上 CO₂吸附和转化过程中相关元素的化学状态变化，有助于理解反应机理和确定活性中心。​

（3）原位紫外光电子能谱技术​

      原位紫外光电子能谱（UPS）能够提供光催化剂表面电子结构、功函数等信息。在光催化反应中，通过监测 UPS 信号的变化，可以了解光生载流子的产生、迁移和复合过程，以及反应物分子与催化剂表面的相互作用情况，为研究光催化反应动力学提供重要依据。​

（4）原位质谱技术​

      原位质谱可实时检测光催化反应过程中产生的气态产物和中间物种，确定其种类和浓度随时间的变化。例如，在光解水制氢和光催化 CO₂还原反应中，利用原位质谱能够快速、准确地检测到氢气、一氧化碳、甲烷等产物的生成，以及反应过程中可能产生的自由基等中间物种，为深入研究反应路径提供直接证据。​

（5）原位红外光谱技术​

      原位红外光谱可用于监测光催化反应过程中反应物、产物以及吸附在催化剂表面的中间物种的红外吸收特征，从而推断反应机理。例如，在光催化 CO₂还原反应中，通过原位红外光谱可以检测到 CO₂还原过程中的关键中间体 COOH * 的特征吸收峰，证实其在反应中的存在和作用。在研究光催化剂表面与反应物分子的相互作用时，原位红外光谱也能提供丰富的信息。​

四、原位表征技术集成下的光催化活性动态评价系统构建​

（1）系统组成​

1.光源模块​

      光源是光催化反应的能量输入源。常见的光源有氙灯和 LED 灯。氙灯能模拟太阳光的连续光谱，覆盖紫外到可见甚至近红外波段，适用于研究光催化剂在全光谱下的活性；LED 灯能耗低、寿命长且波长可精确选择，可根据光催化剂的吸收特性选用，聚焦特定波段的光催化反应研究。例如，研究 TiO₂光催化剂时，因其对紫外光响应强，常搭配特定紫外波长的 LED 灯。光源的材质多采用石英玻璃等透光性好且化学性质稳定的材料，确保光线高效穿透进入反应体系，且不与反应物或催化剂发生化学反应。​

2.反应腔室模块​

      反应腔室是光催化反应发生的场所，需具备良好的密封性和光学性能。其材质通常选用耐腐蚀、透光性好的材料，如石英玻璃。反应腔室应能精确控制反应条件，如温度、压力、反应物浓度等。在涉及气体参与的光催化反应中，如光解水制氢、光催化 CO₂还原，反应腔室需具备良好的真空密封性能，排除外界气体干扰，保证反应体系纯净，同时能精确控制反应气体的流量、压力和组成。例如，通过质量流量控制器可将反应气体流量精度控制在 ±1% 以内。反应腔室还应配备高精度温度控制系统，常见控温方式有电加热、水冷等，能将温度控制在设定值的 ±1℃范围内。​

3.原位表征模块​

      该模块集成了多种原位表征技术。如原位拉曼光谱仪、原位 X 射线光电子能谱仪、原位紫外光电子能谱仪、原位质谱仪和原位红外光谱仪等。这些仪器可在光催化反应进行时，实时对催化剂的结构、表面性质、反应中间物种等进行监测。为实现各原位表征仪器与反应腔室的有效连接和协同工作，需设计专门的接口和样品传输装置，确保在不破坏反应体系的前提下，获取准确的原位表征数据。​

4.检测与分析模块​

      检测与分析模块用于检测反应产物的种类与浓度。对于气体产物，常用气相色谱（GC）进行分析，可精确测定氢气、氧气、一氧化碳、二氧化碳等气体的含量。质谱（MS）可用于对复杂产物的结构鉴定，核磁共振（NMR）也可在某些情况下用于产物分析，为深入理解光催化反应机理提供依据。该模块还配备数据采集与处理系统，能实时采集各检测仪器的数据，并进行分析、存储和可视化展示，便于研究人员直观了解光催化反应过程中的动态变化。​

（2）系统工作流程​

      首先，将光催化剂样品放置于反应腔室中，通过气路控制系统向反应腔室中通入适量的反应物气体，并调节反应腔室的温度、压力等条件至设定值。开启光源模块，光子照射到光催化剂表面，引发光催化反应。在反应过程中，原位表征模块中的各仪器同步工作，实时监测催化剂的结构变化、表面物种吸附与反应情况以及反应中间物种的生成与转化。例如，原位拉曼光谱仪监测催化剂晶格结构变化，原位 X 射线光电子能谱仪分析催化剂表面元素化学状态变化，原位质谱仪检测反应产生的气态产物和中间物种。检测与分析模块对反应产物进行实时检测和分析，数据采集与处理系统收集并处理来自原位表征模块和检测与分析模块的数据，生成光催化活性随时间变化的曲线，以及催化剂结构和表面性质等参数的动态变化信息，从而实现对光催化活性的动态评价。​

五、原位表征技术集成下光催化活性动态评价系统的应用案例​

（1）光解水制氢研究​

      科研人员利用该系统筛选和优化高效光催化剂，以提高太阳能到氢能的转化效率。通过对一系列基于 TiO₂的复合光催化剂进行活性评价，发现掺杂一定量过渡金属（如 Fe、Co 等）能显著提高 TiO₂的光催化产氢活性。在某光催化活性评价系统中，优化后的 TiO₂ - Fe 复合催化剂在模拟太阳光照射下，产氢速率达到 5 mmol・h⁻¹・g⁻¹，相比纯 TiO₂催化剂提高了近 3 倍。原位表征技术揭示了掺杂过渡金属后，催化剂的电子结构发生变化，促进了光生载流子的分离与传输，从而提高了光催化产氢活性。​

（2）太阳能燃料合成研究​

       在太阳能驱动的 CO₂还原合成燃料研究中，该系统用于评价不同催化剂对 CO₂还原产物的选择性和活性。某研究团队利用光催化活性评价系统筛选出一种基于 Cu₂O 的催化剂，在特定反应条件下，对 CO₂还原生成 CH₄的选择性高达 60%。通过原位表征技术发现，该催化剂表面存在特定的活性位点，能够优先吸附和活化 CO₂分子，并促进其向 CH₄的转化，为缓解温室效应和实现碳循环利用提供了新途径。​

（3）有机污染物降解研究​

      在光催化降解水中和空气中有机污染物的研究中，该系统广泛应用。例如，在对某新型光催化剂降解罗丹明 B 染料废水的研究中，利用光催化活性评价系统监测发现，在可见光照射下，该催化剂在 2 小时内可将罗丹明 B 的降解率提高至 95% 以上。原位表征技术显示，光催化反应过程中，催化剂表面产生的光生空穴和活性氧物种能够有效攻击罗丹明 B 分子，使其逐步降解为小分子无机物。在大气污染治理方面，该系统用于评价光催化剂对挥发性有机化合物（VOCs）、氮氧化物（NOx）等污染物的去除效果。某负载型 TiO₂光催化剂在光催化活性评价系统中对甲苯的降解实验表明，在模拟太阳光照射下，该催化剂能有效将甲苯降解为 CO₂和 H₂O，降低空气中甲苯浓度。​

（4）杀菌消毒研究​

      光催化技术在杀菌消毒领域具有潜在应用价值，光催化活性评价系统可评估光催化剂对细菌、病毒等微生物的灭活效果。实验发现，某些具有特定结构的光催化剂在光照条件下能产生强氧化性的活性氧物种，破坏细菌的细胞壁和细胞膜，实现对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等常见细菌的高效灭活。在光催化活性评价系统中，经过一定时间光照处理后，细菌存活率可降低至 1% 以下。原位表征技术有助于揭示光催化剂与微生物相互作用的机制，为开发高效杀菌消毒光催化剂提供理论支持。​

六、结论与展望​

（1）研究结论​

      本文详细阐述了原位表征技术集成下的光催化活性动态评价系统，该系统结合了多种原位表征技术，能够在光催化反应过程中实时监测催化剂的结构、表面性质以及反应中间物种等信息，实现对光催化活性的动态、全面评价。通过对系统组成、工作流程以及应用案例的分析，展示了该系统在光催化研究中的重要作用。在光解水制氢、太阳能燃料合成、有机污染物降解和杀菌消毒等领域的应用中，该系统为深入理解光催化反应机理、开发高效光催化剂提供了有力工具，推动了光催化技术的发展与应用。​

（2）研究展望​

      未来，随着科学技术的不断进步，原位表征技术集成下的光催化活性动态评价系统有望在以下几个方面取得进一步发展：一是提高原位表征技术的分辨率和灵敏度，实现对光催化反应过程中更细微变化的监测，深入探究光催化反应的微观机理；二是进一步优化系统的集成度和自动化程度，提高实验效率和数据准确性，降低实验成本；三是拓展该系统在更多复杂光催化反应体系中的应用，如多相光催化、光催化电化学反应等，为解决实际能源和环境问题提供更有效的技术支撑；四是结合人工智能、大数据等新兴技术，对大量的原位表征数据进行深度挖掘和分析，加速新型光催化剂的设计与开发。总之，原位表征技术集成下的光催化活性动态评价系统具有广阔的发展前景，将在光催化领域发挥越来越重要的作用。​

产品展示

      近年来半导体行业的快速发展，超高纯316L不锈钢，符合SEMI F20标准，通过真空感应熔炼+真空自耗重熔（VIM+VAR），并使用特殊的工艺处理，对材料进行最大程度的提纯，进一步减少了材料中的的非金属夹杂物和气体成分。EP管（316L，VIM+VAR）是表面经过电解抛光处理，以提高产品内部的平滑性，并在金属表面形成富铬层以提高耐腐蚀性，电解抛光后的产品做钝化处理以去除游离铁离子。EP抛光产品经 SEM、 ESCA/XPS、AES分析，产品质量完全满足半导体协会 SEMI F20 标准。

      基于EP抛光（316L，VIM+VAR）技术的发展，鑫视科shinsco采用国内优秀企业生产的EP管（316L，VIM+VAR）和EP自动阀门，替换了光催化活性评价系统的原有玻璃管路和阀门，并实现了PLC全面控制整套系统，实现了SSC-PCAE光催化活性评价系统的全自动化运行。

      SSC-PCAE光催化活性评价系统(Photocatalytic activity evaluation system)沿用半导体行业的真空技术，将玻璃管路和阀门替换为EP管和EP自动阀，实现了整个系统的全自动控制实验过程，全自动在线采样分析，实现了实验中真正的全自动运行。SSC-PCAE光催化活性评价系统主要应用于光解水、全解水、电催化、光催化CO2还原、光催化固氮、光电催化气体产物分析、耐压釜式反应、催化反应的微量气体收集等。

产品优势：

1)封闭反应的产物气体收集、采样、在线分析的一体化系统；

2)内置气体磁力增压泵，形成高强压差，实现气体快速混匀；

3)全系统耐压-14.6psi ~150psi，实现了从真空到10atm的压力覆盖；

4)应用半导体材料（TiO2、InO、C3N4、CdS等）催化剂的活性评价；

5)催化剂产氢、产氧、光解水的性能分析；

6)催化剂二氧化碳还原的性能分析；

7)系统可配和玻璃、石英、不锈钢、PEEK、PTFE等材料制备的反应器使用

8)可满足光电反应、气固反应、膜催化、多相反应等特殊实验要求；

9)系统管阀件全部采用EP（316L，VIM+VAR）管和EP阀，对气体无吸附；

10)系统即装即用，可兼容任意厂家气相色谱仪，无需额外增加进样阀门；

11) GC测试范围广，氢、氧、CO2、甲烷、CO、甲醛、C1-C5等微量气体；