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光催化CO₂還原反應(yīng)具有綠色,、條件溫和,、原料來(lái)源豐富等特點(diǎn),，因此被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的有效途徑之一,。受制于轉(zhuǎn)化率和選擇性問(wèn)題,，目前的光催化CO₂還原研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段,，除了開(kāi)發(fā)、合理設(shè)計(jì)高效催化劑,，同時(shí)也可以通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)工藝,，改變反應(yīng)條件實(shí)現(xiàn)光催化CO₂的高效轉(zhuǎn)化。 

一般情況下,，光催化CO₂還原反應(yīng)主要在氣相或液相中進(jìn)行^[1],。 

液相反應(yīng)體系是在CO₂的飽和溶液中發(fā)生，此時(shí)光催化劑均勻分散在溶液中,。 

氣相反應(yīng)體系是光催化劑被固定在基底支架上,，CO₂和水蒸氣的混合氣直接與光催化劑進(jìn)行反應(yīng)，如圖1所示^[2],。

圖1. 氣相和液相光催化CO₂還原反應(yīng)模型對(duì)比^[2].

在液相反應(yīng)體系中,，由于分散在溶液中的固體催化劑始終處于攪拌狀態(tài)，電荷傳遞效率和傳熱效率更高^{[3, 4]}，但液相反應(yīng)體系中,，CO₂在H₂O中有限的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)會(huì)限制光催化CO₂還原反應(yīng)的傳質(zhì)效率^[5],。 

在25℃，101.325 kPa反應(yīng)條件下,，CO₂在H₂O中的溶解度小于0.033 mol·L^-1,，減弱了CO₂分子從氣相向光催化劑表面的擴(kuò)散作用^[6]。 

相比于中性和酸性條件,，CO₂在堿性條件下的溶解度更高^[1],，可以通過(guò)提高溶液pH值提高CO₂的溶解度，也可以向H₂O中加入乙腈（ACN）^[7],、乙酸乙酯（EAA）^[8]等有機(jī)溶劑以促進(jìn)CO₂的溶解,。 

為了解決上述問(wèn)題，研究人員提出了在氣相中進(jìn)行光催化CO₂還原反應(yīng),。相比于液相反應(yīng),，氣相反應(yīng)不受犧牲劑、光敏劑,、溶劑等因素的影響,，是一種比較簡(jiǎn)單的反應(yīng)系統(tǒng)。 

CO₂在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)約為0.1 cm²·s^-1,，比在液相中的擴(kuò)散系數(shù)大約高四個(gè)數(shù)量級(jí)^{[9, 10]},，因此在氣相反應(yīng)中，CO₂與光催化劑間的傳質(zhì)效率更高,。 

氣相光催化CO₂還原反應(yīng)的另一優(yōu)勢(shì)在于可有效抑制析氫反應(yīng)^{[2, 11]},。由于將H₂O還原為H₂在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面上更有利，在液相反應(yīng)中進(jìn)行的光催化CO₂還原反應(yīng)有可能會(huì)誘發(fā)析氫反應(yīng),，降低CO₂的轉(zhuǎn)化率^{[1, 6]},。而氣相反應(yīng)中的光催化CO₂還原反應(yīng)可以有效解決這一問(wèn)題。 

目前光催化CO₂還原反應(yīng)中的氣相反應(yīng)主要分為兩種方式,，一種是將光催化劑涂覆于基材上,，形成薄膜，具有一定濕度的CO₂從薄膜上層流過(guò),，如圖2（a）所示,；另一種是固定床式氣相反應(yīng)，具有一定濕度的CO₂直接從光催化劑床層穿過(guò),，如圖2（b）所示,。相比于上述第一種方式，固定床式的傳質(zhì)作用更加充分,，有助于提高光催化CO₂轉(zhuǎn)化率,。

圖2. （a）薄膜氣相反應(yīng)模式和（b）固定床氣相反應(yīng)模式.

為滿(mǎn)足氣相光催化CO₂還原反應(yīng)需求,，泊菲萊科技有限公司推出了在線(xiàn)測(cè)溫氣固相光催化反應(yīng)器，該反應(yīng)器主要適配于我司Labsolar-6A全玻璃自動(dòng)在線(xiàn)微量氣體分析系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Labsolar-6A系統(tǒng)）,，如圖3所示,。 

在線(xiàn)測(cè)溫氣固相光催化反應(yīng)器有別于被動(dòng)式擴(kuò)散，氣固相反應(yīng)器采用氣體“穿透”式方案,，結(jié)合Labsolar-6A系統(tǒng)中的磁驅(qū)柱塞泵,，使CO₂與催化劑充分接觸，提高傳質(zhì)效率,，提升反應(yīng)轉(zhuǎn)化率,。

圖3. Labsolar-6A系統(tǒng)搭載在線(xiàn)測(cè)溫氣固相光催化反應(yīng)器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖（湖南大學(xué)）^[12].

除了光催化CO₂還原反應(yīng)之外，在線(xiàn)測(cè)溫氣固相光催化反應(yīng)器還適用于光熱催化CO₂還原反應(yīng),。反應(yīng)器設(shè)有專(zhuān)用的原位紅外測(cè)溫口,，非接觸式實(shí)時(shí)測(cè)量催化劑表面溫度并記錄，同時(shí)配有恒溫夾套,，最大程度降低熱耗散,，如圖4所示。

圖4. Labsolar-6A系統(tǒng)搭載在線(xiàn)氣固相光催化反應(yīng)器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖.

在線(xiàn)測(cè)溫氣固相光催化反應(yīng)器基本參數(shù)： 

• 反應(yīng)器材質(zhì)：反應(yīng)器為高硼硅玻璃,，光窗為石英玻璃,；

• 粉末催化劑放置方式：平鋪于反應(yīng)器自帶的石英濾膜表面；

• 反應(yīng)器容積：總?cè)莘e（帶懸臂）：118 mL,；柱形部分容積：96 mL； 

• 反應(yīng)器尺寸：法蘭外徑60 mm,，總高度約200 mm,； 

• 溫度測(cè)量范圍：0~600℃； 

• 測(cè)量精度：0.1℃,。

圖5.在線(xiàn)測(cè)溫氣固相光催化反應(yīng)器及其配附件.

 注：串聯(lián)催化反應(yīng)講解部分是筆者根據(jù)參考文獻(xiàn)進(jìn)行翻譯和匯總,，筆者水平有限，如有錯(cuò)誤,，請(qǐng)大家指正,！

參考文獻(xiàn)