一、研究背景与意义

（1）行业发展需求

      在能源短缺与环境恶化的双重压力下，光催化技术作为一种绿色、高效的能源转化与污染物降解手段，受到全球科研界与工业界的广泛关注。其核心原理是利用半导体材料吸收光能后产生光生电子-空穴对，进而驱动氧化还原反应的进行，在水分解制氢、CO₂还原、有机污染物降解等领域展现出巨大应用潜力。

      然而，传统光催化反应装置普遍存在两大核心瓶颈：一是传质效率低下，反应体系内反应物难以快速接触催化剂活性位点，产物也无法及时脱附，导致反应速率受限；二是光利用效率低，由于催化剂颗粒分散不均、光线在体系内散射严重等问题，大量光能未被有效吸收便流失，造成能源浪费。这两大问题直接制约了光催化技术的工业化应用进程，因此开发兼具高效传质与优异光利用性能的反应装置成为当前研究的重中之重。

（2）微通道技术的适配性

      微通道技术凭借其独特的结构优势，为解决上述瓶颈提供了理想的技术路径。微通道反应器通常具有微米级的通道尺寸，这种微尺度结构使得反应体系的比表面积大幅增加，传质距离显著缩短，传质系数可比传统反应器提升1-3个数量级，能够有效强化反应物与催化剂的接触效率。同时，微通道的规整结构便于实现反应体系的精准控制，减少返混现象，提升反应选择性。

      将微通道技术与光催化反应相结合，构建微通道光电流动反应池，不仅可利用微通道的传质优势解决反应物与产物的传递问题，还能通过对通道结构、光入射方式的优化设计，减少光线散射，提升催化剂对光能的吸收与利用效率。此外，流动式反应模式相较于传统批次反应，更易于实现连续化生产，符合工业生产的实际需求。因此，开展面向高效传质与光利用的微通道光电流动反应池研究，对于推动光催化技术的工业化落地具有重要的理论意义与实际应用价值。

二、微通道光电流动反应池的核心优势

（1）高效传质特性

      微通道的微米级尺寸（通常为10-1000μm）是其实现高效传质的核心基础。一方面，微通道内的流体流动多处于层流状态，流型稳定，返混程度极低，反应物能够以较为均匀的浓度分布流经催化剂表面，避免了传统反应器中因返混导致的局部浓度过高或过低问题；另一方面，微尺度下传质距离大幅缩短，反应物从流体主体扩散至催化剂活性位点的时间显著减少，传质阻力急剧降低。

      研究表明，微通道反应器的传质效率可达到传统搅拌式反应器的10-100倍，这使得光催化反应中“传质控制”的瓶颈得到有效突破。例如，在光催化降解有机污染物反应中，微通道内的污染物分子能够快速扩散至催化剂表面，与光生空穴或·OH等活性物种发生反应，产物也能迅速脱离催化剂表面，避免了催化剂的中毒失活，从而提升了整体反应速率与催化剂的使用寿命。

（2）优异光利用性能

      微通道光电流动反应池在光利用效率提升方面具有多重优势。首先，微通道的规整结构便于实现光线的定向入射与均匀分布，可通过将微通道反应器与光源进行精准耦合，使光线能够最大限度地穿透反应体系，减少光线在反应器壁面的反射损失。其次，部分微通道反应器采用透明材质（如石英、玻璃、聚二甲基硅氧烷等）制作，具有良好的透光性能，能够确保光能有效进入反应区域被催化剂吸收。

      此外，通过在微通道内部构建有序的催化剂负载结构（如纳米阵列、薄膜涂层等），可避免传统反应体系中催化剂颗粒分散不均导致的光线遮挡与散射问题，使每一颗催化剂颗粒都能充分接触光线，提升光生载流子的产生效率。同时，微通道内的薄层流体能够减少光线在溶液中的衰减，确保光线能够深入反应体系内部，进一步提升光利用效率。相关实验数据显示，与传统光催化反应器相比，微通道光电流动反应池的光利用效率可提升30%-80%，显著增强了反应的光催化活性。

（3）精准调控与连续化优势

      微通道光电流动反应池的反应条件易于精准调控，由于微通道内的反应体积较小，流体的停留时间分布窄，可通过调节进料流速精准控制反应物在反应池内的停留时间，实现反应进程的有效控制。同时，微通道的比表面积大，换热效率高，能够快速移除反应过程中产生的热量，避免因局部温度升高导致的催化剂活性下降问题，维持反应体系温度的稳定。

      在生产模式上，微通道光电流动反应池采用流动式反应，可实现反应物的连续进料与产物的连续出料，相较于传统批次反应，不仅大幅提升了生产效率，还避免了批次间的产品质量差异，更符合工业化连续生产的需求。此外，微通道反应器的模块化设计便于根据生产需求进行放大组合，通过增加微通道单元的数量实现产能的提升，解决了传统反应器“放大效应”带来的传质、传热性能下降问题。

三、关键技术与研究方向

（1）微通道结构设计与优化

      微通道结构是决定反应池传质与光利用性能的核心因素，其结构参数（如通道尺寸、截面形状、长度、分布方式等）对反应效果具有显著影响。在通道尺寸设计方面，需综合考虑传质效率与压力损失，过小的通道尺寸虽能提升传质效率，但会导致流体阻力增大，增加进料动力成本；过大的通道尺寸则会削弱微通道的传质优势。目前，主流的通道内径设计多集中在100-500μm之间，可在传质效率与压力损失之间实现平衡。

      通道截面形状的选择也至关重要，常见的截面形状包括圆形、矩形、梯形等。圆形截面通道的流体流动性好，压力损失小，但加工难度较大；矩形截面通道加工便捷，且在相同截面积下具有更大的比表面积，有利于传质与换热，因此在微通道光电流动反应池中应用更为广泛。此外，通过在通道内部设置微肋、凸起等结构化单元，可破坏流体边界层，进一步强化传质效果，但需注意避免因结构复杂导致的光线遮挡问题。

（2）催化剂的负载与修饰技术

      催化剂的负载方式直接影响其在微通道内的分布均匀性、稳定性以及光催化活性。传统的颗粒悬浮式负载方式虽操作简单，但易导致催化剂团聚、沉降，造成通道堵塞，同时增加了光线散射损失。因此，固定化负载技术成为微通道光电流动反应池的研究重点，主要包括物理吸附法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、电化学沉积法等。

      物理吸附法操作便捷，但催化剂与通道壁面的结合力较弱，易在流动过程中脱落；溶胶-凝胶法可在通道壁面形成均匀的催化剂薄膜，结合力较强，但薄膜厚度难以精准控制，过厚易导致通道狭窄，过薄则催化活性不足；化学气相沉积法能够制备高纯度、高结晶度的催化剂薄膜，且薄膜厚度与组分可控，但反应条件苛刻，设备成本较高；电化学沉积法适用于导电基底的微通道，可通过调控电沉积参数实现催化剂的定向生长，制备出具有特定形貌的催化剂结构，有利于提升光吸收与电荷分离效率，是一种极具发展潜力的负载技术。

      此外，对催化剂进行修饰改性也是提升反应性能的重要手段。通过贵金属（如Au、Ag、Pt）沉积、半导体复合、碳材料掺杂等方式，可有效抑制光生电子-空穴对的复合，拓展催化剂的光响应范围，从而提升光催化活性。例如，在TiO₂催化剂表面沉积Au纳米颗粒，不仅可利用表面等离子体共振效应增强对可见光的吸收，还能促进光生电子的转移，显著提升光催化降解效率。

（3）光-流-场协同调控机制

      微通道光电流动反应池的反应性能取决于光能利用、流体传质与催化反应三者之间的协同作用，因此实现光-流-场的协同调控是关键研究方向之一。在光场调控方面，需根据催化剂的光响应特性选择匹配的光源（如紫外灯、可见光LED、太阳光模拟器等），并通过光学设计（如反光罩、光纤耦合、透镜聚焦等）优化光线在微通道内的分布，确保光线能够均匀覆盖催化剂表面，提升光能利用率。

      在流场调控方面，通过调节进料流速、反应物浓度、通道结构等参数，优化流体在微通道内的流动状态，使反应物能够快速、均匀地接触催化剂活性位点，同时及时移除产物。此外，利用数值模拟方法（如计算流体动力学CFD）对微通道内的流场分布进行预测与优化，可有效指导反应池的结构设计，减少实验成本。

      在温度场调控方面，由于微通道的换热效率较高，可通过在通道外部设置恒温装置，精准控制反应体系的温度，避免温度变化对催化剂活性与反应动力学的影响。同时，需深入研究光、流、温场之间的相互作用机制，例如温度升高可能会加速传质过程，但过高的温度可能导致催化剂失活；流体流速的增加虽能强化传质，但可能缩短反应物的停留时间，影响反应转化率。通过建立多场耦合数学模型，实现对反应过程的精准预测与调控，是提升微通道光电流动反应池性能的核心所在。

（4）系统集成与放大技术

      微通道光电流动反应池的工业化应用，离不开系统的集成化设计与有效的放大技术。在系统集成方面，需将微通道反应单元与进料系统、光源系统、温控系统、产物分离与收集系统等进行一体化整合，实现反应过程的自动化控制与连续稳定运行。例如，通过采用精密输液泵实现反应物的精准进料，利用传感器实时监测反应过程中的温度、压力、浓度等参数，并通过控制系统及时调整反应条件，确保反应的稳定性。

      在放大技术方面，传统的“尺寸放大”方式会破坏微通道的微尺度效应，导致传质与光利用性能下降，因此“数量放大”成为主流的放大策略，即通过增加微通道芯片的数量构建并行反应系统。在并行系统设计中，需解决流体的均匀分配问题，避免因部分通道流量过大或过小导致的反应效果差异。可通过采用分流器、集流器等结构优化流体分配，同时利用数值模拟方法对并行系统的流场分布进行模拟与优化，确保各微通道单元的操作条件一致。此外，还需考虑系统的散热、光源的均匀照射等问题，实现放大后系统性能的稳定与高效。

四、应用场景展望

（1）能源转化领域

      在光催化水分解制氢领域，微通道光电流动反应池的高效传质特性能够加速水分子与催化剂表面的接触，同时优异的光利用效率可提升光生电子-空穴对的产生与分离效率，从而显著提高氢气的生成速率。此外，流动式反应模式便于实现产物的及时分离，避免氢气与氧气在反应体系内混合导致的安全隐患。在CO₂光催化还原领域，微通道反应池可实现CO₂气体与液体反应物的高效传质，促进CO₂在催化剂表面的吸附与活化，提升甲醇、甲烷等还原产物的选择性与产率，为实现“碳达峰、碳中和”目标提供技术支撑。

（2）环境治理领域

      在有机废水处理领域，微通道光电流动反应池可快速降解废水中的酚类、染料、农药等有机污染物，高效传质特性确保污染物能够与光生活性物种充分反应，提升降解效率与矿化度。相较于传统处理技术，其反应速率快、处理效果好，且无二次污染，适用于高浓度、难降解有机废水的处理。在空气净化领域，微通道反应池可利用光催化技术降解空气中的甲醛、苯、NOₓ等有害气体，通过流动式反应实现空气的连续净化，适用于室内空气净化、工业废气处理等场景。

（3）精细化工领域

      在光催化有机合成领域，微通道光电流动反应池的精准调控特性能够实现反应条件的精确控制，提升合成反应的选择性与产物纯度。例如，在光催化氧化、还原、偶联等反应中，微通道内的稳定流场与均匀光场可减少副反应的发生，提高目标产物的收率。同时，连续化生产模式便于实现大规模工业化生产，降低生产成本，为精细化工产品的绿色合成提供新的技术路径。

五、总结与展望

      微通道光电流动反应池凭借其高效传质、优异光利用、精准调控与连续化等核心优势，有效突破了传统光催化反应装置的性能瓶颈，在能源转化、环境治理、精细化工等领域展现出巨大的应用潜力。当前，该领域的研究已取得一定进展，但仍面临诸多挑战：一是微通道结构与光-流-场的协同优化机制尚需深入研究，多场耦合数学模型的准确性有待提升；二是催化剂固定化负载的稳定性与规模化制备技术仍需完善；三是系统集成与放大过程中的流体分配、散热等问题亟待解决。

      未来，随着微加工技术、材料科学、光学设计等相关学科的不断发展，微通道光电流动反应池的研究将朝着以下方向推进：一是开发更为高效的微通道结构设计方法，结合人工智能算法实现反应池结构的精准优化；二是研发新型催化剂负载与修饰技术，提升催化剂的稳定性与光催化活性；三是建立更为完善的光-流-场协同调控机制，实现反应过程的精准预测与控制；四是攻克系统集成与放大技术难题，推动其从实验室研究走向工业化应用。相信通过持续的科研创新，微通道光电流动反应池将为光催化技术的工业化发展提供强大动力，为解决能源与环境问题做出重要贡献。

产品展示

      SSC-PEFC20光电流动反应池实现双室二、三、四电极的电化学实验，可以实现双光路照射，用于半导体材料的气-固-液三相界面光电催化或电催化的性能评价，可应用在流动和循环光电催化N2、CO2还原反应。反应池的优势在于采用高纯CO2为原料气可以直接参与反应，在催化剂表面形成气-固-液三相界面的催化体系，并且配合整套体系可在流动相状态下不断为催化剂表面提供反应原料。

      SSC-PEFC20光电流动反应池解决了商业电催化CO2还原反应存在的漏液、漏气问题，采用全新的纯钛材质池体，实现全新的外观设计和更加方便的操作。既保证了实验原理的简单可行，又提高了CO2还原反应的催化活性，为实现CO2还原的工业化提供了可行方案。

产品优势：

SSC-PEFC20光电流动反应池优势：

● 半导体材料的电化学、光电催化反应活性评价；

● 用于CO2还原光电催化、光电解水、光电降解、燃料电池等领域；                

● 微量反应系统，极低的催化剂用量；

● 配置有耐150psi的石英光窗；

● 采用纯钛材质，耐压抗腐蚀；

● 导电电极根据需要可表面镀金、钯或铂，导电性能极佳，耐化学腐蚀；

● 光电催化池可与光源、GC-HF901（EPC）、电化学工作站、采样系统、循环系统配合，搭建光电催化CO2还原系统，实现在线实时测试分析。