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2024年净化空气用光催化剂市场分析现状一、市场概述净化空气用光催化剂是一种能够有效去除空气中有害污染物的催化剂。
随着科技的不断发展和环境污染问题的日益严重，净化空气用光催化剂市场也迅速崛起。
本文将对净化空气用光催化剂市场的现状进行分析。
二、市场规模净化空气用光催化剂市场的规模不断扩大。
据统计，2019年全球净化空气用光催化剂市场规模达到XX亿美元。
预计未来几年市场规模将继续保持增长趋势，预计到2025年市场规模将达到XX亿美元。
三、市场驱动因素净化空气用光催化剂市场增长的主要驱动因素有：1.环境污染问题日益严重，人们对空气质量的关注度提高，对净化空气产品的需求不断增加，推动了净化空气用光催化剂市场的发展。
2.政府对环境保护的重视程度提高，出台了一系列环境保护相关政策，为净化空气用光催化剂市场的发展提供了政策支持。
3.科技的进步和创新，使得净化空气用光催化剂的效能不断提高，降低了成本，提高了市场竞争力。
四、市场划分净化空气用光催化剂市场可以按照应用领域和产品类型进行划分。
4.1 应用领域划分净化空气用光催化剂的应用领域广泛，主要包括：1.家庭和办公室空气净化：随着人们对健康生活的追求，家庭和办公室空气净化成为越来越重要的需求，这将推动净化空气用光催化剂在这一领域的应用增长。
2.工业废气处理：工业废气中的污染物对环境造成了严重影响，净化空气用光催化剂在工业废气处理中有着广泛的应用前景。
3.汽车尾气净化：随着汽车保有量的增加，汽车尾气排放已成为城市空气污染的主要来源之一。
净化空气用光催化剂在汽车尾气净化领域具有巨大的市场潜力。
4.2 产品类型划分净化空气用光催化剂的产品类型多种多样，根据催化剂的材料和形态，可以划分为：1.二氧化钛催化剂：二氧化钛是一种常用的净化空气用光催化剂材料，具有优异的光催化性能，被广泛应用于各个领域。
2.复合催化剂：复合催化剂是由多种催化剂材料组合而成，可以综合发挥各种材料的优势，提高净化效果。
光催化技术在环境污染物降解中的应用及机理研究摘要环境污染已成为全球性的重大问题，光催化技术作为一种绿色环保的污染物降解技术，近年来得到了广泛的研究和应用。
本文综述了光催化技术的原理、应用及机理研究进展。
首先介绍了光催化技术的定义、发展历程以及其在降解污染物方面的优势。
其次，详细阐述了光催化降解污染物的机理，包括光生电子-空穴对的产生、氧化还原反应、活性物种的生成和参与反应等。
然后，针对不同类型的污染物，例如有机污染物、重金属离子、氮氧化物等，概述了光催化技术在环境污染治理方面的应用，并分析了其优缺点。
最后，展望了光催化技术未来的发展方向，包括新型光催化材料的研发、光催化反应体系的优化以及光催化技术与其他技术的协同应用等。
关键词：光催化技术；环境污染物降解；机理研究；应用；发展趋势1. 引言随着工业化进程的不断推进，环境污染问题日益突出，对人类健康和生态环境造成了严重威胁。
传统的污染物治理方法，例如焚烧、吸附、化学沉降等，存在能耗高、二次污染严重、处理效率低等缺点，难以满足日益严格的环境保护要求。
因此，开发高效、环保的污染物治理技术至关重要。
光催化技术是一种利用光能驱动催化剂发生氧化还原反应，从而降解污染物的技术，近年来得到了广泛的研究和应用。
光催化技术具有以下优点：*高效：光催化剂可以将光能转化为化学能，实现对污染物的深度降解，甚至可以将有机污染物彻底氧化成二氧化碳和水。
*环保：光催化过程不涉及高温高压，不产生二次污染，是一种绿色环保的污染治理技术。
*成本低：光催化剂可以循环使用，且光能来源丰富，因此具有较低的运行成本。
2. 光催化技术的原理光催化技术是利用半导体光催化剂在光照条件下发生的氧化还原反应，实现对污染物的降解。
其核心原理是光生电子-空穴对的产生和分离。
2.1 光生电子-空穴对的产生当光催化剂吸收能量大于其禁带宽度的光子时，价带上的电子被激发到导带，形成电子-空穴对。
价带上的空穴具有强氧化性，可以氧化还原反应中的还原剂，而导带上的电子具有强还原性，可以还原反应中的氧化剂。
气-固相催化反应器气-固相催化反应器是一种将气相物质通过固体催化剂进行反应的反应器。
与液相催化反应器不同，气-固相催化反应器更适用于高温、高压、高反应速率和可持续性反应的条件下。
本文将介绍气-固相催化反应器的原理、优点和应用等方面的知识。
气-固相催化反应器的基本原理是通过催化剂的催化作用促进气相物质之间的化学反应，使其转化为有用的化合物。
催化剂是气-固相催化反应器的核心组成部分，它可以吸附和分散气态分子，降低反应的激活能，提高反应的速率和选择性。
在气-固相催化反应器中，催化剂通常是硅质、氧化物、氧化铝等固体物质，具有高的比表面积和化学活性。
当气相物质通过催化剂时，发生的反应涉及化学吸附、生成化学键、反应活化等多个阶段。
相比于液相催化反应器，气-固相催化反应器具有以下优点：1. 良好的高温、高压应用性能。
气-固相催化反应器能够承受高温、高压等极端反应条件，使催化反应具有更高的速率和选择性。
2. 更低的反应废液排放量。
液相催化反应器中需要使用的溶剂和反应废液大量排放，而气-固相催化反应器中只需要使用气体，可以减少废液的产生和对环境的污染。
3. 更好的处理可行性。
气-固相催化反应器中不需要加热或搅拌等外部因素，加工操作更加简单容易，有利于大规模工业化生产。
气-固相催化反应器在工业中的应用非常广泛，其中包括以下几个方面：1. 石化行业。
气-固相催化反应器在石油加工装置中应用广泛，如催化裂化和脱硫等方面。
催化剂用于加速石油分子之间的反应，加工可提高石油的利用效率和降低环境污染。
2. 化学行业。
气-固相催化反应器在化学中也有广泛的应用，如生产氢气等燃料，化学合成等。
3. 食品饮料行业。
气-固相催化反应器被广泛地用于生产含有氢氧化钠、硝酸盐等催化剂的食品饮料加工过程中。
4. 环保领域。
气-固相催化反应器在工业废气治理中也有着广泛的应用。
通过利用催化剂降低废气中污染物的浓度，可以有效减缓环境污染。
总之，气-固相催化反应器由于其高效、环保等优点，在生产实践中得到了广泛的应用。
气固流化床在工业领域中的应用研究气固流化床作为一种新型反应器，由于其操作灵活性、传热传质效率高等优点，已经在众多工业领域中得到了广泛的应用。
一、环保领域中的应用气固流化床在环保领域中的应用主要体现在以下几个方面。
1、气固等离子体反应器气固等离子体反应器运用了气体放电技术和气固流化技术，可以高效地降解废气中的污染物。
同时，该反应器可以大幅度减少处理设备的体积和重量，降低设备的废气排放量，因此得到了广泛应用。
2、生物颗粒氧化器生物颗粒氧化器主要用于废水或含有生物质的物质的处理，通过气固流化床内的微生物来进行有机物分解。
该反应器具有反应速度快、能耗低、操作简单的特点。
二、化工领域中的应用气固流化床在化工领域中的应用也相当广泛，随着科学技术的发展，气固流化床反应器在化学合成、催化剂生产等方面得到了广泛应用。
1、化学合成气固流化床反应器在化学合成中具有高效传质、催化作用和操作灵活等优点，可以大幅度提高化学合成反应的效率。
2、催化剂生产催化剂是目前化工工业中应用最广泛的一类化学品，其生产的质量对整个生产过程具有非常重要的影响。
气固流化床反应器在催化剂生产中的作用非常明显，可以大幅度提高催化剂的制备质量，同时也可以提高生产效率。
三、能源领域中的应用能源领域是引领现代工业发展的重要领域之一，气固流化床在能源领域中的应用也十分广泛。
1、燃气化气固流化床反应器在燃气化领域中起到了十分重要的作用，它可以实现多种燃料的燃气化，包括煤、天然气、生物质等。
在能源短缺的背景下，气固流化床的燃气化技术可以为我国的能源供应提供有力支持。
2、沸腾床燃烧沸腾床燃烧是一种将燃料在固定氧化剂中进行燃烧的技术，该技术不仅可以降低燃烧产生的污染物，还可以实现燃料的高效利用。
综上所述，气固流化床反应器在工业领域中广泛应用已经成为一种普遍趋势。
未来，随着科学技术的不断发展，气固流化床反应器将会在更多领域发挥着重要作用。
气固反应的研究与应用气固反应是指气体与固体之间发生的化学反应，它在材料科学、工程领域以及能源、环境等方面具有广泛的研究和应用。
在气固反应中，反应物通过分子扩散、表面反应等方式在固体表面进行反应，生成新的化合物。
这种反应方式具有一定的复杂性和灵活性，因此在工业上广泛应用。
一、气固反应的基本原理在气固反应中，固体表面会吸附一层气体分子，并与其发生反应。
反应可以发生在固体表面或者内部空隙中，而反应速率主要取决于气-固相相互作用和化学反应。
气体分子在固体表面被吸附后，可以通过吸附层上的反应位点与固体表面反应，也可以在吸附层内扩散到其他反应位点与固体表面反应。
固体表面反应的速率通常比吸附层内扩散速率慢得多。
二、气固反应的应用1. 燃烧反应燃烧反应是气固反应应用的一种重要形式，它产生的氧化热可以用于发电和工业加热领域。
例如，在燃煤锅炉中，固体燃料中的碳和氢可以和空气中的氧气反应，生成二氧化碳和水，并释放出热能。
2. 催化反应在氧化还原反应、水分解、氮气还原等催化反应中，催化剂可以显著提高反应速率。
例如，在氨的工业制备中，通过硝酸钠和钙铁矿等催化剂的配合，可以显著提高氨的产量和选择性。
3. 材料合成气固反应在新材料的制备和改性中也发挥着重要作用。
例如，氮化硅晶体是一种重要的半导体材料，在制备过程中需要通过氮化硅和硅片表面的氮化反应来合成。
此外，金属和半导体材料的气相沉积和气相淀积是新材料制备中常用的方法。
三、气固反应技术的发展随着材料科学和工业技术的发展，气固反应技术已经得到了广泛的应用，同时也涌现出一系列挑战。
例如，在气相淀积过程中，固体表面的晶面定向和晶体质量会对薄膜的性能产生影响，其中的一些问题仍需要进一步研究和解决。
此外，在催化剂合成和反应过程中，催化作用机理仍存在争议。
为此，需要更深入的研究气固反应的基本原理和机制，以便更好地应用它们。
综上所述，气固反应的研究和应用是一个不断发展的领域，它具有广泛的应用前景和深远的意义。
第4卷㊀第1期2023年8月新能源科技New Energy TechnologyVol.4,No.1August,2023㊀基金项目:国家自然科学青年基金(52003121,2220081350)㊂㊀作者简介:陈啸(1986 ),女,江苏徐州人,副教授,博士;研究方向:微化工技术㊂㊀∗通信作者:于超(1987 ),男,江苏常州人,教授,博士;研究方向:微化工技术㊂高转化率气固相CO 2还原光反应器设计与应用研究陈㊀啸1,刘丽恬1,鲁啸宇2,何嘉伦1,李云龙1,于㊀超1∗(1.江苏科技大学环境与化学工程学院,江苏镇江212100;2.中化石化销售有限公司,上海200120)摘要:近年来,全球能源危机和环境问题已经成为重大挑战,而过度使用化石燃料是导致这些问题的主要原因之一㊂为了解决能源短缺和过量CO 2排放问题,太阳能驱动下的光催化CO 2还原被认为是有效的策略之一㊂为了提高二氧化碳光催化还原的效率,文章通过回顾气固相光反应器的发展过程,对光催化CO 2还原的基本机制和光反应器设计进行了分析,并总结了其优势和不可避免的局限性㊂通过剖析不同类型的光反应器结构及其操作动态,可以对数据收集和分析提供指导,以便探索其增长轨迹和未来可能性,为实现碳中和目标提供启示㊂光催化CO 2还原技术作为一种可持续且具有潜力的解决方案,将在实现这一目标的过程中发挥关键作用㊂关键词:光反应器;气固相;二氧化碳还原;光催化中图分类号:O643.32㊀㊀文献标志码:A0㊀引言㊀㊀近年来,工业发展导致二氧化碳(CO 2)排放量激增,加剧全球变暖导致气候异常,并伴随着频繁的海洋风暴,荒漠化加剧等恶劣影响[1]㊂减少CO 2排放量并合理利用CO 2已成为解决环境问题的当务之急,其中将CO 2转化为高附加值产品被认为是有前景的解决方案之一㊂文献[2]通过光激发GaP 电极将水溶液中的CO 2转化为CH 3OH,开创了光催化CO 2还原的新方向㊂光催化技术利用免费且丰富的太阳能实现CO 2转化,以环保和节能的优势引起了研究者们的密切关注㊂然而,目前CO 2光催化还原的产业化遭遇到转化率低,选择性差和低于标准的能源效率的发展瓶颈[3]㊂光催化CO 2还原过程大致可分为均相和多相法㊂在非均相工艺中,CO 2直接与催化剂界面,与均相工艺相比具有明显的优势㊂然而,尽管具有理论优势,但迄今为止气固相光催化CO 2还原的性能仍不足以满足工业需求㊂因此,研究人员开始转向设计高效率的光催化反应器,以实现光催化CO 2还原的性能突破[4]㊂气固光催化反应器是光催化工艺的核心设备,设计和应用在实现有效的CO 2还原方面起着至关重要的作用㊂优异的反应器设计不仅可以提高太阳能的利用率,还可以加快反应速度㊂本文首先阐明了光催化CO 2还原的机理和反应器的性能评价标准㊂然后介绍不同类型的气固相光催化反应器,如图1所示,包括 地毯 式平铺反应器㊁ 煎饼 型薄膜反应器㊁ 牙签 型光纤反应器㊁蜂窝 反应器和 三明治 型板式微反应器㊂在最后一部分中,将讨论气固相光催化CO 2还原反应器的未来发展和挑战,并提出前瞻性观点㊂图1㊀气固光催化反应器的分类1㊀光催化CO 2还原的基本原理㊀㊀CO 2的C =O 具有750kJ /mol 的强键能,表现出分子惰性㊂在阳光下稳定,这使得直接激活CO 2成为一项挑战[5]㊂CO 2活化对于氧化还原反应至关重要,因此需要引入具有适当能带结构的催化剂进行CO2光催化还原[6]㊂当光催化剂暴露在光下时,电子将被激发从价带跳到导带,导致在价带中产生等数量的空穴㊂在气固反应中,吸附在催化剂表面的CO2与光生电子结合生成C1和C2产物㊂表面的空腔与吸附的水蒸气反应,通过氧化反应产生O2或羟基自由基㊂CO2光催化还原的机理可分为5个步骤㊂(1)光激发:根据催化剂的能带结构选择适当波长的光源,催化性能会受到波长和功率的影响㊂(2)光生电子空穴的分离和转移:当入射光的能量超过光催化剂的带隙时,电子将从价带跳到导带,产生电子空穴㊂然后将电子空穴转移到催化剂表面以参与氧化还原反应㊂(3)CO2吸附:CO2的吸附过程是CO2还原的前提,CO2通过C或O配位吸附在催化剂表面[7]㊂光催化剂的结构改性可以调节催化剂与CO2的配位模式,提高产物的选择性㊂合理的反应器设计可以进一步扩大催化剂与CO2的接触面积,从而提高CO2的吸附性能[8]㊂(4)表面CO2还原反应:电子通过跳跃分离并输送到催化剂表面,与吸附的CO2和H+反应㊂碳产物的合成将根据所用催化剂的类型而有所不同㊂(5)产物解吸:如果产物解吸不及时,会发生催化剂中毒,影响催化剂的活性和选择性㊂最终的CO2还原效率受到上述所有5个过程的影响[9]㊂2㊀气固光反应器的发展进程2.1㊀光反应器性能评价㊀㊀迄今为止,对于光反应器性能评价指标已经提出了包括催化性能㊁传质效率㊁通量㊁能效和设计成本等多个参数[10]㊂这些指标构成了设计卓越性能反应器的理论基础㊂在CO2光催化还原过程中,光反应器起着重要作用,反应器的设计对传质速率㊁光分布和反应面积有重大影响[11]㊂在固液模式下,通常向反应器中加入液态水和催化剂,然后通过鼓泡将CO2注入反应器中,以进行CO2还原㊂但这种方法会加剧析氢反应的发生,从而影响CO2的还原性能㊂在气固模式下,CO2和水蒸气在进入反应器之前混合,或者在板上放置催化剂并在底部加入少量水[12-13]㊂水蒸气和CO2参与CO2还原反应㊂气固反应器的使用提供了更快的传质速率,增强了产物分离,并适当抑制了竞争反应,所有这些都提高了CO2还原性能㊂2.2㊀气固光反应器的进展㊀㊀文献[14]使用由圆柱形石英管组成的 地毯 反应器,在室温下用CO2饱和水蒸气进行光催化实验, 地毯 反应器中的反应可以具有更高的接触面积和吸附能力㊂文献[15]于1977年首次提出使用光纤进行光传输并作为光催化剂载体㊂这种 牙签 反应器对轻传质的抵抗力很小,更有利于光催化反应的发生㊂文献[16]2008年首次报道了使用 牙签 反应器在气相中将CO2光还原为碳氢化合物㊂光纤可以使光均匀分布在催化剂表面,大大提高光子透射率,这是光反应器产业化向前迈出的一步㊂与 牙签 反应器相比, 蜂窝 反应堆具有更大的比表面积和量子效率,并且压力降低,因此可以更有效地利用光能㊂文献[17]2011年设计了一种内部照明的 蜂窝 反应器,嵌入了用于光催化还原CO2的光纤㊂对纤维进行雕刻以增强光反射,进一步提高了 蜂窝 反应器中光的利用率,多通道结构大大提高了催化剂负载和CO2还原效率㊂一些研究人员在反应器中将催化剂制备成薄膜,在此称为 煎饼 反应器㊂例如,文献[18]2012年在反应器底部放置了一层双金属合金催化剂膜,膜周围有微量的水㊂在室温下使用来自反应器顶部的模拟太阳光照射进行CO2光催化还原㊂考察了不同含量Cu-Pt双金属的催化性能,结果表明Cu0.33-Pt0.67是CO2光催化还原中活性最高的Cu-Pt/ TiO2系列催化剂㊂3㊀气固光反应器的种类3.1㊀ 地毯 反应器㊀㊀在该类反应器中,催化剂要么放在支撑材料板上,要么直接放置在底部㊂被称为 地毯 反应器,因为其可以像地毯一样任意改变瓷砖的表面积和厚度㊂ 地毯 反应器操作方便,催化剂面积易于控制,受到研究人员的青睐㊂例如,文献[19]采用浸渍法制备了In-TiO2/g-C3N4系列催化剂,并在密闭气固反应器中进行光催化反应㊂结果表明:紫外光下CO2还原的主要产物为CO㊁CH4和C2H4;在可见光下,主要产生CO和CH4㊂文献[20]使用 地毯 反应器,其实验装置如图2所示㊂CO2通过充满水的饱和器流入 地毯 反应器㊂以400W Hg灯为光源,辐照功率密度保持在140W/m2,选择水作为牺牲剂,环保㊁无毒㊁价格低廉㊂ 地毯 反应器提供了一种无毒且高性能的CO2光还原方法㊂图2㊀CO2光还原实验装置[20]对于CO 2光催化还原反应,催化剂的类型对产物的选择性有一定的影响㊂在固液模式下,反应更倾向于还原水产生H 2,而 地毯 反应器中的气固反应更有利于CO 2还原㊂文献[21]研究了不同反应模式对CO 2光催化还原性能和选择性的影响㊂根据CO 2还原反应的特点,改进了反应方式㊂在联合反应模式下,CO 和CH 4的产率均优于气固模式㊂这种新的反应方式不仅使光催化剂与CO 2充分接触,避免了催化剂与液态水的直接接触,提高了CO 2的吸附性,抑制了水的吸附,而且为CO 2还原提供了强大的还原剂,增强了光催化还原性能㊂3.2㊀ 煎饼 反应器㊀㊀薄膜反应器是在板状材料上制成薄膜负载的催化剂,例如不锈钢板㊁玻璃板或石英板,装载方式类似于煎饼在盘子上的排列方式,因此得名 煎饼 反应器㊂在 煎饼 反应器中,催化剂装填方便且气体与固体之间的传质扩散较高,但存在接触面积有限的问题㊂文献[22]使用了两种不同的 煎饼 反应器,如图3所示㊂当使用小辐照度(40~60W /m 2)时,反应时间和温度会影响甲烷的产生㊂当使用大辐照度(60~2400W /m 2)时,发现只有辐照度对甲烷产量有影响,低辐照度更有利于增加甲烷产量㊂通过反应器设计和实验条件的改进,会影响CO 2光催化还原的转化率和选择性,从而找到最合适的反应器和反应条件㊂文献[23]在 煎饼 反应器中进行连续CO 2还原㊂制备的TiO 2-NafionTM 基膜催化剂用于CO 2转化为甲醇,在2bar 的进料压力下反应获得了45μmol /g ㊃h 的较高甲醇收率㊂充分利用了 煎饼 反应器:有效地减少了催化剂的积聚,允许与光源完全接触,并避免与水直接接触,从而抑制析氢反应㊂图3㊀ 煎饼 反应器[22]文献[24]将溴引入COF 中,并选择TAPP 和2,5-二溴-1,4-苯二甲醛通过溶剂热法合成卟啉基COF(TAPBB-COF)㊂溴的共轭效应会促进电子离域,提高光催化性能㊂结果表明,溴官能团的引入可以改变价带位置,12h CO 收率达到295.2μmol /g,稳定性好,选择性达95.6%㊂本研究首次利用溴元素促进水作为离子供体在不添加额外物质的情况下提高CO 2还原性能,为催化剂的改性提供了新的思路㊂ 煎饼 反应器因其简单的设计而受到青睐,主要用于气固相催化反应㊂在气固相中具有优异的扩散和传质能力,操作方便,但反应物与催化剂之间的接触面积有限㊂CO 2从煎饼反应器的一端流入,与负载在反应器底部或板上的薄膜催化剂接触反应,并在另一端流出反应器㊂通过及时将产物从反应器中吹出,可以加快CO 2还原的反应速率和效率㊂3.3㊀ 牙签 反应器㊀㊀报道的用于气固相CO 2光催化还原反应的反应器大多是 地毯 反应器和 煎饼 反应器,因为两者操作简单方便㊂然而,实际应用受到光利用效率低和传质效率差的限制㊂1977年,文献[25]首次提出使用光纤作为催化剂载体来提高光的利用率㊂光纤反应器是一种专门设计用于光催化反应的反应器㊂这种反应器以光纤为载体,具有反应表面积大㊁透光效率高㊁传质损失小等优点㊂但是,光纤容易断裂,热量积聚导致催化剂失活,光纤的长度和催化剂的厚度对透光性有影响㊂因此,光纤反应器在工业上的应用受到限制㊂光纤反应器由数百根细长光纤组成,从外观上看,就像许多放在盒子里的牙签,所以将其命名为 牙签 反应器㊂文献[25]从光纤上去除聚合物屏蔽层,得到石英纤维,然后将其浸入Cu /TiO 2溶液中,反应体系如图4所示㊂处理后得到负载Cu /TiO 2的光纤,将约120根光纤组装成 牙签 反应器㊂使用汞灯从石英窗照射,以冒泡的方式将CO 2与水蒸气引入㊂在这项研究中,将催化剂涂覆在玻璃板上,以比较 煎饼 和 牙签 反应器的催化性能㊂实验结果表明,在365nm 紫外光照射下, 牙签 反应器中的甲醇收率高于 煎饼 反应器中的甲醇收率,收率为0.46μmol /g㊃h㊂与 煎饼 反应器相比, 牙签 反应器具有相当高的光利用率,可以有效地传播光能,在光催化应用方面具有广阔的前景㊂图4㊀ 牙签 反应器[25]牙签 反应堆中光能的设计和传输方式与传统光反应堆不同㊂文献[26]首先报道了在 牙签 反应器中使用Cu-Fe/TiO2来还原甲烷和乙烯,将其与 煎饼 反应器进行了比较㊂光源沿光纤进入,在75ħ时发生还原反应,乙烯的收率提高了一个数量级㊂在相同的光源条件下,增加光纤的数量可以提高量子产率㊂通过优化反应器设计,可以充分利用光能,提高量子产率,增强光催化性能,提高产品产率㊂ 牙签 在反应器中通过光纤传输可减少光到催化剂的误差,光催化反应的量子产率增加,反应器和反应气体对光的吸收和散射减少,催化剂包裹在纤维上,可以获得更好的催化剂分散和减少传质限制㊂ 牙签 反应器广泛用于空气净化㊁去除气态有机污染物或减少二氧化碳㊂光的入射角㊁纤维的长度㊁纤维的数量和催化剂的厚度都会影响 牙签 反应器的催化性能㊂缺点是使用光纤作为催化剂载体,光纤过于脆弱,容易断裂,热量积累容易使光催化剂失活,阻碍催化反应㊂同时, 牙签 反应器操作不方便,光纤不易超长,费用相对较高㊂因此,该反应器在CO2还原方面无法大规模应用,仍有许多问题需要解决㊂3.4㊀ 蜂窝 反应器㊀㊀研究人员提出使用蜂窝陶瓷进行催化反应,蜂窝陶瓷是多孔工业陶瓷,热膨胀慢㊁隔热性好㊁比表面积大,这种类型的反应器称为 蜂窝 反应器㊂ 蜂窝 反应器由于其特殊配置,具有非常低的压降,可以提供高流速㊂蜂窝结构的比表面积是相同尺寸的其他催化剂载体的10~100倍,大大提高了有效反应面积,提高了催化性能㊂对于气固相光催化CO2还原, 蜂窝 反应器使CO2与催化剂之间的接触面积最大化,并将光纤插入其中以克服光穿透的阻碍㊂文献[17]使用直径为4cm的蜂窝状陶瓷,由170个通道组成,并用合成的InTaO4溶质涂覆整个陶瓷㊂然后用Ni(NO3)2溶液浸渍制备了不同Ni含量的NiO/ InTaO4催化剂㊂结果表明, 蜂窝 反应堆的量子效率明显高于 牙签 反应器,可以有效利用光子能量㊂将光纤和蜂窝陶瓷组合而成的 蜂窝 反应器有效提高了CO2的光催化性能㊂文献[27]设计了一种直接太阳能接收器反应堆㊂将两种不同类型的催化剂整体,管状石英和氧化锆泡沫,制造并组装到 蜂窝 反应器中,以比较它们在光催化还原CO2方面的性能㊂该反应器设计的基本原理是促进同时发生太阳能光化学和热化学反应㊂在这项研究中,反应堆充当光学腔,通过太阳模拟器收集光源,以增加腔内光子吸收概率㊂反应器包括径向和切向流入口,切向入口有助于产生感应涡流㊂在出口处的多个端口进行温度和CO2浓度检测,实验设置如图5所示㊂比较两种催化剂整体,虽然管状石英的催化剂负载量比泡沫氧化锆小4倍,但CO2收率却高4倍㊂选择合适的催化整体可以有效提高光利用率,并在最小的催化剂负载下实现出色的产率㊂因此,在反应器的设计中需要找到合适的载体㊂未来的研究人员需要对化学机理和动力学进行更深入的研究,以充分了解并能够辨别CO2还原过程中光和热对反应的贡献㊂图5㊀ 蜂窝 反应器的实验流程[27]蜂窝 反应器的结构仍值得进一步研究和改进㊂文献[28]提出了一个填充透明固体玻璃球反应器的模型,在光纤㊁整体和玻璃球的表面上涂有光催化剂,以提高光利用效率,同时保持反应器的中心对称结构㊂本研究为CO2光催化反应器的发展与创新提供了新思路㊂文献[29]将 蜂窝 反应器与抛物面槽式浓缩器相结合,有效提高了光利用率,扩大了光捕获面积,增强了CO2的光催化性能㊂在本研究中,通过在垂直侧增加通道来改善反应器内部,以减少压降并提高传质效率,如图6所示㊂测试表明,与传统蜂窝反应器相比,反应器平均产物浓度提高了3个数量级,达到1.85ˑ10-4mol/m3,具有高亮点效率和高反应密度㊂该反应器设计将 蜂窝 与抛物面槽式浓缩器相结合,以恒定的催化剂质量有效提高了光利用率,并增加了垂直通道以提高传质效率,从而形成了具有优异催化效率的 蜂窝 反应器结构㊂图6㊀ 蜂窝 反应器[29]3.5㊀ 三明治 反应器㊀㊀与液固微反应器相比,气固体系可以更好地控制催化剂与CO 2和水蒸气的接触时间,最大限度地减少二次反应或析氢竞争反应㊂目前报道的气固模式光流控微反应器大多是平面微反应器㊂反应器中装有一层薄薄的催化剂,结构与夹层结构相似,因此将其命名为 三明治 反应器㊂结合光学和微流控的优点,光流控 三明治 反应器比其他反应器更有效,具有精细的控制能力,因此推断 三明治 反应器可以提高光催化CO 2还原的效率㊂文献[30]制备了用于 三明治 反应器的Cu 改性1D TiO 2薄膜,如图7所示㊂反应器采用复制成型法和标准光刻工艺制备而成,盖板材料由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成,具有优异的化学稳定性和透光性,广泛应用于微反应器的制备㊂将制备的催化剂薄膜放置在玻璃基板上,并在反应器腔内组装到总体积为117mL 的 三明治 反应器中,该反应器使用黏合剂进行防漏㊂在反应器的入口和出口处,分别设计了4个分支形微通道,使气体均匀地填充在反应器中并与催化剂充分接触㊂采用 三明治 反应器研究不同CO 2流速对还原性能的影响:当CO 2流速提高时,产品的产量先增长后下降㊂在缓慢流速下反应速率缓慢,当反应速率较高时,气体在反应器中的停留时间较短,不利于催化反应㊂图7㊀ 三明治 反应器的设计与示意[30]文献[31]结合TiO 2和Cu x O 构建高性能Z 型异质结光催化剂,并引入碳纳米管制备Cu x TiO 2C 光催化剂,用于测试 三明治 反应器中的光催化CO 2还原性能㊂实验设置是一个24ˑ24mm 的反应器,底部有玻璃板,催化剂负载在玻璃板表面㊂对于气固体系,连续流反应器比间歇反应器更合适㊂本研究的反应器设计简单,操作方便,CH 4的产率在实验中仅使用低功率LED 达到117μmol /g㊃h㊂三明治 反应器反应体积小㊁比表面积大㊁反应时间快㊂因此,在传热过程中,传热效率将得到提高㊂与其他反应器相比,热量积聚最小,反应过程中传热加速,反应温度可精确控制,避免局部过热㊂使用连续流进料可以精确控制反应时间,并减少产品的积累和副反应的发生㊂微反应器有多种类型,可以通过扩大平行管道的数量来实现平行放大㊂具有良好的安全性和可控性,节省了反应时间和经济成本㊂然而,微反应器的应用仍存在一定的问题㊂由于通道狭窄,催化剂容易堵塞,反应可能不足㊂应根据反应选择合适的微反应器类型㊂与传统反应器相比,微反应器的成本更高,其普及性相对有限㊂微反应器通过工业技术的合理设计和不断优化,可以在工业生产中发挥重要作用㊂4 结语㊀㊀综上,本文开创性地对气固相光催化二氧化碳还原的反应器进行了分类和命名,并强调了它们各自的特点㊂其中, 地毯 反应器由于其结构简单㊁操作直观,被广泛开发和应用㊂然而,它的光利用率不足,光分布有限㊂ 煎饼 反应器通过改变催化剂的负载方式,将粉末转变为薄膜而不是直接平铺㊂该方法通过减少催化剂的聚集并减小扩散阻力来实现㊂使用 牙签 反应器和 蜂窝 反应器,可以显著提高光利用率,并且能够达到较高的反应速率和传质速率㊂在与其他4种反应器进行比较时,可以发现 三明治 反应器的体积最小,配置相对简单,同时具有较高的质量和传热能力,更适用于未来二氧化碳的减排应用㊂尽管光催化可以将二氧化碳还原为高附加值产品,并在一定程度上缓解能源与环境问题,但目前的研究仍处于实验室阶段,难以满足实际工业需求㊂未来的研究应集中在以下几个方面,以实现真正的应用㊂(1)优化反应器配置:可以通过反应器设计优化来促进传质,防止催化剂失活,从而提高工艺性能并节约工艺成本㊂(2)与可再生能源相结合:目前的研究很少实际使用太阳光作为光催化还原反应的光源,大多数使用模拟太阳光㊂通过将气固相光催化技术与太阳能结合,可以减少对环境的影响,并提升该过程的可持续性㊂(3)工业放大和商业化:对于未来的研究来说,应该专注于增加其在工业应用和经济效益方面的潜力㊂开发创新反应器设计,优化反应条件,并探索新的市场机会都是必要的㊂综上所述㊂在未来的研究中,应该专注于设计高效稳定的光催化剂㊁优化反应器配置,并且将其与太阳能的利用整合,以促进其扩大规模并商业化㊂未来将会有许多类型的新型反应器出现,这些反应器能够满足实际的工业需求,并且对解决环境问题做出重大贡献㊂[参考文献][1]ZHANG F ,LIU F ,MA X ,et al.Greenhouse gasemissions from vegetables production in China[J]. 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光催化材料的研究与进展洛阳理工学院 吴华光 B08010319 摘要 ： 光催化降解污染物是近年来发展起来的一种节能、高效的绿色环保新技 术．它在去除空气中有害物质 ,废水中有机污染物的光催化降解 ,废水中重金属污 染物的降解，饮用水的深度的处理，除臭，杀菌防霉等方面都有重要作用，但是 作为新功能材料，它也面临着很多局限性：催化效率不高，催化剂产量不高，有 些催化剂中含有有害重金属离子可能存在污染现象。
但是我们也应当看到他巨大 的发展潜力和市场利用价值，作为处理环境污染的一种方式，它以零二次污染， 能源消耗为零， 自发进行无需监控等优势必将居于污染控制的鳌头。
本文介绍了 一些关于光催化研究的制备与发展方向的思考，光催化正在以 TiO 2，ZnO 为主 导多种非重金属离子掺杂，趋于多样化的制备方法方向发展。
关键字 ：光催化 催化效率正文：光催化 （Photocatalysis ）是一种在催化剂存在下的光化学反应，是光化学与催 化剂的有机结合，因此光和催化剂是光催化的必要条件。
“光催化 ”定义为:通过 催化剂对光的吸收而进行的催化反应 （a catalytic reaction involving light absorption by a catalyst or a substrate 。
） 氧化钛（TiO 2 ）具有稳定的结构、优良的光催化性能及 无毒等特点，是近年研究最多的光催化剂，但是，TiO 2具有大的禁带宽度，其值为 3．2 eV ，只能吸收波长 A ≤387 11111 的紫外光， 不能有效地利用太阳能， 光催化或能量转换效率偏低， 使它的应用受 到限制。
因此， 研制新型光催化剂、 提高光催化剂的催化活性仍是重要的研究课 题 [1] 。
复合掺杂不同半导体， 利用不同半导体导带和价带能级的差异分离光生载 流子，降低复合几率，提高量子效率，成为提高光催化材料性能的有效方法 [2-5] 。
