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在光催化研究領(lǐng)域中，人們習(xí)慣于使用歸一化的反應(yīng)速率（μmol·h^-1·g^-1或mmol·h^-1·g^-1）衡量催化劑的反應(yīng)活性。然而，由于不同實(shí)驗(yàn)室之間在光源、反應(yīng)器、催化劑用量等條件上存在差異，歸一化的反應(yīng)速率無法真實(shí)的反映催化劑的光催化活性^[1,2]。 對于不同光催化反應(yīng)體系，由于催化劑的光吸收系數(shù)、散射/反射作用和粉末懸浮程度之間存在巨大差異，不同體系的反應(yīng)速率隨著催化劑用量增加的變化趨勢也有所不同。 對于同一光催化反應(yīng)體系，由于催化劑的過量加入會影響入射光的穿透深度及催化劑對入射光的散射程度，催化活性隨著催化劑用量的增加保持不變甚至降低，如圖1所示^[1]。基于以上原因，需尋找一種新的評價參數(shù)，在同一標(biāo)準(zhǔn)下評估光催化劑的催化活性。

圖1. 氣體析出速率與光催化劑用量的關(guān)系^[1]

光催化量子產(chǎn)率（Quantum Yield，QY）是指在特定波長條件下，體系中參與反應(yīng)的電子數(shù)與總吸收光子數(shù)之比。然而，對于非均相光催化體系而言，由于散射和反射等因素影響，實(shí)際反應(yīng)過程中催化劑吸收的光子數(shù)難于測定，導(dǎo)致無法直接計(jì)算量子產(chǎn)率。

 因此，可以通過入射光子數(shù)取代吸收光子數(shù)的方式來計(jì)算光催化量子產(chǎn)率；通過這種方式計(jì)算所得的量子產(chǎn)率稱之為“表觀量子產(chǎn)率”（Apparent Quantum Yield，AQY）^[3]。表觀量子產(chǎn)率的計(jì)算公式如下^[4]：  

N_e：反應(yīng)轉(zhuǎn)移電子總數(shù) ；

N_p：入射光子數(shù)；

V：反應(yīng)速率（mol·s^-1） ；

NA：阿伏伽德羅常數(shù)（6.02×1023 mol^-1）

K：反應(yīng)轉(zhuǎn)移電子數(shù) 

h：普朗克常量（6.62×10-34 J·s） 

c：光速（3.0×108 m·s^-1） 

I：光功率密度（W·m^-2） 

A：入射光照面積（m²） ：

入：入射光波長（nm）。 

簡化公式后可得：

光催化分解水制氫量子產(chǎn)率測量，轉(zhuǎn)移電子數(shù)K=2^[4] 

光催化分解水制氧量子產(chǎn)率測量，轉(zhuǎn)移電子數(shù)K=4 

光催化二氧化碳中量子產(chǎn)率測量， 

如產(chǎn)物為CO，轉(zhuǎn)移電子數(shù)K=2^[5] 

如產(chǎn)物為CH₄，轉(zhuǎn)移電子數(shù)K=8 

光催化合成氨反應(yīng)，轉(zhuǎn)移電子數(shù)K=3^[6] 

影響光催化量子產(chǎn)率測量精度的主要因素包括單色性和光子的逸散。由公式（1）可以看出，入射光的單色性直接影響光催化量子產(chǎn)率的測量精度。單色光要盡量保證足夠窄的半波帶寬（Full Width at Half Maxima，F(xiàn)WHM），以避免其他波段光對反應(yīng)體系的干擾。 

現(xiàn)階段光催化量子產(chǎn)率測量中，獲取單色光最普遍的方式為氙燈配合帶通濾光片。然而，常見帶通濾光片的半波帶寬在20 nm左右，其他波段光干擾嚴(yán)重。 

激光光源的半波帶寬小于5 nm，單色性好，如圖2所示。所產(chǎn)生的單色光強(qiáng)度高，且光強(qiáng)度與施加電流大小呈線性關(guān)系，便于精準(zhǔn)調(diào)節(jié)光強(qiáng)，是光催化量子產(chǎn)率測量中最合適的光源。

圖2. 氙燈配合帶通405 nm濾光片和405 nm激光器的光譜圖

光催化表觀量子產(chǎn)率的測量是在入射光子全部照入反應(yīng)體系的前提下進(jìn)行。然而，由于光子的逸散會減少參與反應(yīng)的光子數(shù)，進(jìn)而影響光催化表觀量子產(chǎn)率的測量精度。因此，用于光催化量子產(chǎn)率測量的反應(yīng)器應(yīng)盡量避免光子的逸散。 

大多數(shù)科研工作者使用玻璃反應(yīng)器作為光催化量子產(chǎn)率測量的反應(yīng)單元，其弊端在于入射光會穿透玻璃反應(yīng)器，造成光子無法全部進(jìn)入反應(yīng)體系。雖然可以通過采用錫箔紙包裹反應(yīng)器的方式來減弱光子的逸散，但是由于包裹的錫箔紙粗糙不平，在光的傳播過程中仍存在能量損失，無法保證光子全部照入反應(yīng)體系中，如圖3左所示。 

最理想的光催化量子產(chǎn)率反應(yīng)器是“黑體”反應(yīng)器。這種反應(yīng)器采用球形鍍銀鏡面，利用全反射原理，可以做到將光子完全“封鎖”于反應(yīng)器內(nèi)部，進(jìn)而有效避免光子的逸散，提高光催化量子產(chǎn)率的測量精度，如圖3右所示。

圖3. 光催化量子產(chǎn)率測量用反應(yīng)器，包裹錫箔紙的反應(yīng)器（圖左）與黑體反應(yīng)器（圖右）

結(jié)合 “光源的單色性”和“避免光子逸散的反應(yīng)器”這兩點(diǎn)，北京泊菲萊科技有限公司推出了PLR-QY1000光催化反應(yīng)量子產(chǎn)率測量系統(tǒng)，用于精確測量光催化表觀量子產(chǎn)率的反應(yīng)系統(tǒng)。 該系統(tǒng)采用激光器作為光源，單色性好。采用球形黑體反應(yīng)器，可以有效保證光子全部照入反應(yīng)體系中。系統(tǒng)中內(nèi)置數(shù)據(jù)處理模塊，通過系統(tǒng)界面可直接讀出量子產(chǎn)率、產(chǎn)氣速率、產(chǎn)氣總量、光量子數(shù)，可實(shí)現(xiàn)光催化量子產(chǎn)率的直接測量，如圖4所示。

圖4. PLR-QY1000光催化反應(yīng)量子產(chǎn)率測量系統(tǒng)（左）與系統(tǒng)界面圖（右）

系統(tǒng)內(nèi)置控溫和控壓模塊，便于進(jìn)行不同溫度和壓力條件下的光催化量子產(chǎn)率研究。 

采用高精度傳感器對H₂分子進(jìn)行快速測定，在保證測量精度的同時，實(shí)時監(jiān)測催化劑的量子產(chǎn)率隨反應(yīng)時間的變化過程。

表1. PLR-QY1000光催化反應(yīng)量子產(chǎn)率測量系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

目前，該系統(tǒng)已進(jìn)入國內(nèi)外各大高校實(shí)驗(yàn)室，相關(guān)成果已發(fā)表于國際知名期刊上。

 寧夏大學(xué)馬保軍老師課題組在乳酸作犧牲劑的條件下，使用PLR-QY1000光催化反應(yīng)量子產(chǎn)率測量系統(tǒng)配備532 nm激光器，測試了(Pd/MoP)/CdS系列催化劑的光催化制氫量子產(chǎn)率，相關(guān)成果已發(fā)表于Applied Surface Science^[7]。 

寧波大學(xué)宋少青、姜淑娟老師課題組在Na₂S/Na₂SO₃作犧牲劑的條件下，使用PLR-QY1000光催化反應(yīng)量子產(chǎn)率測量系統(tǒng)配備420 nm、450 nm、480 nm激光器，測試了Au/g-C₃N₄系列催化劑的光催化制氫量子產(chǎn)率，相關(guān)成果已發(fā)表于Applied Catalysis B: Environmental^[8]。

圖5. PLR-QY1000光催化反應(yīng)量子產(chǎn)率測量系統(tǒng)使用經(jīng)典案例

以上部分是筆者根據(jù)參考文獻(xiàn)進(jìn)行翻譯和匯總，筆者水平有限，如有錯誤，請大家指正！

參考文獻(xiàn)