一、引言

      隨著全球?qū)沙掷m(xù)能源與環(huán)境保護的關(guān)注度不斷提高，開發(fā)高效、綠色的化學反應技術(shù)成為研究熱點。光電流動反應池作為一種新型反應裝置，利用光生載流子驅(qū)動化學反應，在太陽能制氫、CO?還原以及有機污染物降解等方面具有廣闊應用前景 。然而，傳統(tǒng)光催化反應存在光生載流子復合嚴重、反應物傳質(zhì)效率低等問題，限制了其反應效率與實際應用。微通道結(jié)構(gòu)的引入為解決這些問題提供了有效途徑 。微通道通常指特征尺寸在微米至毫米級別的流體通道，其獨特的幾何特征賦予了反應體系優(yōu)異的傳質(zhì)、傳熱性能，能夠與光催化過程相互協(xié)同，提升整體反應效能 。深入理解基于微通道結(jié)構(gòu)的光電流動反應池中傳質(zhì) - 光催化協(xié)同作用機理，對于進一步優(yōu)化反應池設計、拓展其應用范圍至關(guān)重要。

二、微通道結(jié)構(gòu)的傳質(zhì)特性

2.1 微通道內(nèi)流體流動狀態(tài)

      在微通道中，流體流動狀態(tài)與宏觀尺度存在顯著差異。由于微通道特征尺寸小，流體流動通常處于低雷諾數(shù)（Re）區(qū)域 。一般情況下，當\(Re < 2300\)時，流體呈層流狀態(tài)，在微通道中，Re常遠低于此值，使得流體流動較為穩(wěn)定，流線平行且規(guī)則，有利于精確控制流體行為 。與宏觀湍流相比，層流狀態(tài)下流體混合主要依靠分子擴散，混合效率相對較低 。但通過巧妙設計微通道結(jié)構(gòu)，如采用螺旋形、蛇形或具有內(nèi)部擾流結(jié)構(gòu)（如微柱、凹槽）的通道，可以誘導產(chǎn)生二次流或渦流，促進流體混合，增強傳質(zhì)效果 。例如，在螺旋形微通道中，流體在離心力作用下產(chǎn)生二次流，使得不同徑向位置的流體相互混合，有效提高了傳質(zhì)系數(shù) 。

2.2 傳質(zhì)效率提升機制

      微通道結(jié)構(gòu)具有高的比表面積（表面積與體積之比），通常可達到\(10^3 - 10^4 m^2/m^3\)，遠高于傳統(tǒng)反應器 。這意味著單位體積流體與通道壁面（或負載在壁面上的催化劑）的接觸面積大幅增加，為反應物與催化劑的接觸提供了更多機會，從而促進傳質(zhì)過程 。以氣 - 液反應為例，在微通道中，氣體可迅速溶解于液體并擴散至催化劑表面，氣液界面面積的增大顯著提高了氣體溶解速率 。研究表明，在微通道內(nèi)進行 CO?溶解實驗時，其溶解速率相較于傳統(tǒng)鼓泡反應器提升了數(shù)十倍 。此外，微通道內(nèi)較短的擴散路徑也是傳質(zhì)效率提升的關(guān)鍵因素。同時，微通道內(nèi)可實現(xiàn)對流體流速的精確控制，通過調(diào)節(jié)流速能夠優(yōu)化反應物在反應區(qū)域的停留時間，確保反應充分進行 。合適的流速既能保證反應物有足夠時間與催化劑接觸發(fā)生反應，又能避免因停留時間過長導致產(chǎn)物過度反應或催化劑失活 。

三、光催化反應原理

3.1 光催化劑的光激發(fā)過程

      光催化反應的核心是光催化劑，常見的光催化劑如 TiO?、ZnO、g - C?N?等，具有特定的能帶結(jié)構(gòu) 。以 TiO?為例，其由價帶（VB）和導帶（CB）構(gòu)成，中間存在禁帶（Eg） 。不同光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)和禁帶寬度各異，決定了它們對光的響應范圍和催化活性 。例如，g - C?N?的禁帶寬度約為 2.7 eV，能夠吸收可見光，拓展了光催化反應可利用的光譜范圍 。

3.2 光生載流子的遷移與復合

      光生電子 - 空穴對產(chǎn)生后，在光催化劑內(nèi)部會發(fā)生遷移 。電子向?qū)У滓苿樱昭ㄏ騼r帶頂移動 。理想情況下，光生電子和空穴應遷移到催化劑表面，分別參與還原反應和氧化反應 。然而，在實際過程中，光生電子和空穴存在復合的可能性 。復合過程分為輻射復合和非輻射復合 。輻射復合會以光子形式釋放能量，非輻射復合則以熱的形式耗散能量，這兩種復合過程都會降低光催化反應效率 。為抑制光生載流子復合，常采用多種策略 。一方面，通過構(gòu)建異質(zhì)結(jié)，如 TiO?與 CdS 形成的異質(zhì)結(jié)，利用兩種半導體材料能帶結(jié)構(gòu)的差異，促使光生載流子在異質(zhì)結(jié)界面定向遷移，減少復合 。另一方面，對光催化劑進行表面修飾，如負載貴金屬納米顆粒（如 Au、Pt），貴金屬的表面等離子體共振效應可增強光吸收，同時作為電子捕獲中心，促進光生電子轉(zhuǎn)移，降低電子 - 空穴復合幾率 。

四、傳質(zhì) - 光催化協(xié)同作用機理

4.1 傳質(zhì)對光催化反應的促進作用

4.1.1 反應物及時補充與產(chǎn)物快速移除

     在光催化反應過程中，反應物濃度的維持對于反應持續(xù)高效進行至關(guān)重要 。在微通道光電流動反應池中，高效的傳質(zhì)作用能夠及時將反應物輸送至光催化劑表面 。以有機污染物降解反應為例，有機污染物分子在微通道內(nèi)快速擴散至光催化劑表面，與光生空穴或羥基自由基發(fā)生反應 。由于微通道內(nèi)傳質(zhì)效率高，反應物能夠持續(xù)補充，避免了催化劑表面反應物濃度過低導致反應速率下降的問題 。同時，反應生成的產(chǎn)物能夠迅速從催化劑表面移除，防止產(chǎn)物在催化劑表面積累，避免對反應活性位點的占據(jù)，從而維持催化劑的高活性 。在光催化 CO?還原反應中，及時移除生成的 CO、CH?等產(chǎn)物，有利于反應向正方向進行，提高 CO?轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性 。

4.1.2 增強光催化劑與反應物接觸

      微通道結(jié)構(gòu)的高比表面積使得光催化劑與反應物的接觸面積顯著增大 。負載在微通道壁面的光催化劑，其表面活性位點能夠充分暴露在反應物中 。例如，在微通道內(nèi)負載 TiO?納米顆粒作為光催化劑，反應物分子與 TiO?表面的接觸機會遠多于傳統(tǒng)反應器 。而且，通過優(yōu)化微通道內(nèi)流體流動狀態(tài)，如誘導產(chǎn)生的二次流或渦流，能夠使反應物更均勻地分布在光催化劑周圍，進一步增強二者接觸 。這種充分接觸能夠提高光生載流子與反應物的反應幾率，促進光催化反應進行 。研究表明，在具有特定微通道結(jié)構(gòu)的光電流動反應池中，光催化劑與反應物的接觸效率提高，可使光催化反應速率提升數(shù)倍 。

4.2 光催化對傳質(zhì)過程的影響

4.2.1 光熱效應引發(fā)的流體流動變化

      光催化劑在吸收光能進行光催化反應的同時，部分光能會轉(zhuǎn)化為熱能，導致催化劑表面及周圍流體溫度升高，產(chǎn)生光熱效應 。這種溫度變化會引起流體密度變化，進而影響流體流動狀態(tài) 。在微通道中，局部溫度升高使得流體密度降低，形成密度梯度，從而引發(fā)自然對流 。自然對流的產(chǎn)生增強了流體混合，促進了傳質(zhì)過程 。例如，在以 TiO?為光催化劑的微通道光電流動反應池中，當光照強度增加時，TiO?表面溫度升高，周圍流體產(chǎn)生自然對流，使得反應物和產(chǎn)物的傳輸速率加快 。而且，光熱效應還可能改變流體的粘度等物理性質(zhì)，進一步影響流體流動和傳質(zhì) 。不過，光熱效應的影響程度與光催化劑的光吸收特性、光強、流體性質(zhì)等多種因素有關(guān)，需要綜合考慮和優(yōu)化 。

4.2.2 光生載流子誘導的電遷移作用

      光催化過程中產(chǎn)生的光生電子和空穴，會在光催化劑表面形成局部電場 。在微通道內(nèi)的電解液環(huán)境中，這種局部電場能夠?qū)щ娏Ｗ樱ㄈ珉x子態(tài)的反應物或產(chǎn)物）產(chǎn)生電遷移作用 。以光催化分解水制氫反應為例，光生空穴在陽極表面氧化水產(chǎn)生氫離子，氫離子在電場作用下向陰極遷移，促進了氫離子的傳輸過程，加快了反應速率 。同樣，在其他涉及離子參與的光催化反應中，光生載流子誘導的電遷移能夠改變離子的傳輸路徑和速率，影響傳質(zhì)過程 。這種電遷移作用與微通道內(nèi)的流體流動相互耦合，共同影響反應物和產(chǎn)物的分布與傳輸，進一步強化了傳質(zhì) - 光催化協(xié)同效應 。

4.3 協(xié)同作用對反應性能的綜合提升

4.3.1 反應速率的提高

      傳質(zhì) - 光催化協(xié)同作用顯著提高了光電流動反應池的反應速率 。傳質(zhì)過程的強化保證了反應物及時供應和產(chǎn)物快速移除，維持了光催化劑表面較高的反應物濃度和反應活性；光催化過程產(chǎn)生的光熱效應和電遷移作用又進一步促進了傳質(zhì) 。二者相互促進，形成正反饋循環(huán)，使得光催化反應能夠在更有利的條件下進行 。例如，在微通道光電流動反應池中進行有機污染物降解實驗，相較于傳統(tǒng)光催化反應器，由于傳質(zhì) - 光催化協(xié)同作用，反應速率可提高一個數(shù)量級以上 。在太陽能制氫反應中，協(xié)同作用也能大幅提升氫氣生成速率，提高太陽能到氫能的轉(zhuǎn)化效率 。

4.3.2 產(chǎn)物選擇性的調(diào)控

     傳質(zhì) - 光催化協(xié)同作用還可以對產(chǎn)物選擇性進行有效調(diào)控 。在一些復雜的光催化反應體系中，不同的反應路徑可能生成多種產(chǎn)物 。通過優(yōu)化微通道內(nèi)的傳質(zhì)過程，如調(diào)節(jié)流速、控制反應物濃度分布，可以改變反應體系中各物質(zhì)的停留時間和局部濃度，從而影響反應路徑的選擇性 。例如，在光催化 CO?還原反應中，通過精確控制微通道內(nèi) CO?和 H?O 的流速以及反應溫度、壓力等條件，結(jié)合光催化過程中光生載流子的作用，可以選擇性地提高 CO、CH?或其他碳氫化合物的生成比例 。這種對產(chǎn)物選擇性的精準調(diào)控，對于實現(xiàn)光催化反應的工業(yè)化應用，生產(chǎn)高附加值化學品具有重要意義 。

五、結(jié)論

      基于微通道結(jié)構(gòu)的光電流動反應池中，傳質(zhì)與光催化過程存在著緊密的協(xié)同作用 。微通道獨特的流體流動特性和高效傳質(zhì)機制，為光催化反應提供了良好的物質(zhì)傳輸條件，促進了反應物與光催化劑的接觸，及時補充反應物并快速移除產(chǎn)物，從而提升光催化反應效率 。光催化過程產(chǎn)生的光熱效應和光生載流子誘導的電遷移作用，反過來又對微通道內(nèi)的傳質(zhì)過程產(chǎn)生影響，改變流體流動狀態(tài)和離子傳輸行為 。這種傳質(zhì) - 光催化協(xié)同作用綜合提升了反應性能，不僅顯著提高了反應速率，還實現(xiàn)了對產(chǎn)物選擇性的有效調(diào)控 。深入理解這種協(xié)同作用機理，為進一步優(yōu)化光電流動反應池的結(jié)構(gòu)設計、操作參數(shù)以及拓展其在能源、環(huán)境等領(lǐng)域的應用提供了堅實的理論基礎 。未來研究可聚焦于通過多物理場耦合模擬，精確預測傳質(zhì) - 光催化協(xié)同過程，以及開發(fā)新型微通道結(jié)構(gòu)與光催化劑體系，進一步強化協(xié)同效應，推動光電流動反應池技術(shù)的實用化進程 。

產(chǎn)品展示

      SSC-PEFC20光電流動反應池實現(xiàn)雙室二、三、四電極的電化學實驗，可以實現(xiàn)雙光路照射，用于半導體材料的氣-固-液三相界面光電催化或電催化的性能評價，可應用在流動和循環(huán)光電催化N2、CO2還原反應。反應池的優(yōu)勢在于采用高純CO2為原料氣可以直接參與反應，在催化劑表面形成氣-固-液三相界面的催化體系，并且配合整套體系可在流動相狀態(tài)下不斷為催化劑表面提供反應原料。

     SSC-PEFC20光電流動反應池解決了商業(yè)電催化CO2還原反應存在的漏液、漏氣問題，采用全新的純鈦材質(zhì)池體，實現(xiàn)全新的外觀設計和更加方便的操作。既保證了實驗原理的簡單可行，又提高了CO2還原反應的催化活性，為實現(xiàn)CO2還原的工業(yè)化提供了可行方案。

     產(chǎn)品優(yōu)勢：

      SSC-PEFC20光電流動反應池優(yōu)勢：

      ● 半導體材料的電化學、光電催化反應活性評價；

      ● 用于CO2還原光電催化、光電解水、光電降解、燃料電池等領(lǐng)域；                

      ● 微量反應系統(tǒng)，極低的催化劑用量；

      ● 配置有耐150psi的石英光窗；

      ● 采用純鈦材質(zhì)，耐壓抗腐蝕；

      ● 導電電極根據(jù)需要可表面鍍金、鈀或鉑，導電性能佳，耐化學腐蝕；

      ● 光電催化池可與光源、GC-HF901（EPC）、電化學工作站、采樣系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)配合，搭建光電催化CO2還原系統(tǒng)，實現(xiàn)在線實時測試分析。