自1972年光催化現象被發現以來，光催化技術憑借綠色、高效的氧化還原特性，在環境治理、能源轉換等領域展現出巨大應用潛力。然而，傳統粉末狀光催化劑存在易團聚、難回收、易造成二次污染等問題，嚴重制約了其工業化應用。光催化劑固定化技術通過將光活性組分負載于特定載體，既能保留催化劑本征活性，又能顯著提升其穩定性與可回收性，同時為反應器的工程化設計提供核心支撐。本文系統闡述光催化劑固定化技術的核心方法與載體選擇，重點分析其在各類反應器中的應用特性，并展望該領域的發展趨勢。

一、光催化劑固定化技術的核心體系

      光催化劑固定化技術的核心目標是實現“活性保留-穩定負載-高效傳質"的協同優化，其技術體系主要由固定化方法與載體材料兩大核心要素構成，兩者的匹配度直接決定固定化催化劑的綜合性能。

（一）主流固定化方法

      固定化方法的選擇需兼顧催化劑活性組分的特性、載體結構及應用場景，目前已發展出共價鍵合、非共價吸附、結構限域及物理沉積等多種成熟技術路徑。

      共價鍵合技術通過硅烷化、酯交換等化學反應將光催化劑錨定于載體表面，具有結合牢固、穩定性強的顯著優勢。例如，Lantera團隊利用硅烷化玻璃微珠固定PDI染料，成功解決了大環芳烴染料溶解度低的難題，使其在連續流光化學串聯反應中實現高效轉化。銅(I)配合物通過硅氧烷基團與SiO?納米球共價結合后，在ATRA反應中展現出與均相體系相當的活性，且循環五次后仍保持初始活性的80%以上，凸顯了該技術在提升催化劑循環穩定性方面的優勢。

      非共價吸附策略基于氫鍵、離子交換、疏水作用等弱相互作用實現負載，其核心優勢在于能保留光催化劑的本征光物理性質。Chen和Ng團隊采用β-環糊精包埋Zn-酞菁，通過疏水作用與功能化SiO?納米顆粒結合，在水相光氧化反應中實現高效轉化，產物選擇性較均相體系提升30%。此類方法特別適用于光敏劑易光解的體系，通過載體表面極性調控可延長激發態壽命達10倍以上，為低穩定性催化劑的應用提供了新路徑。

      結構限域技術借助納米孔道或核殼結構的空間約束效應優化催化性能，其中介孔材料（如MSN、SBA-15）是常用的載體類型。Alemán團隊將PTH光催化劑固定于介孔SiO?孔道內，通過空間限域穩定了激發態三重態壽命，使水相ATRA反應產率達92%，較均相體系提升40%。在核殼結構設計中，SiO?@Ag等離子體復合物通過優化殼層厚度（28 nm），可使電磁場增強效應與光子競爭效應達到平衡，催化效率提升3倍，展現出結構調控對性能優化的顯著作用。

      此外，物理沉積技術如溶膠-凝膠法、熱噴涂法在規模化應用中具有優勢。溶膠-凝膠法可在載體表面形成均勻的光催化薄膜，其制備的TiO?薄膜對NO?的歸一化去除率可達16.7 mg·m?2·min，是空氣凈化領域的優選技術；熱噴涂法則在VOCs去除中表現突出，平均去除效率可達107 mg·m?2·min。

（二）典型載體材料及其特性

      載體材料需具備高比表面積、良好的化學穩定性及適配的表面特性，目前應用廣泛的載體可分為惰性氧化物、天然礦物及高分子材料三大類。

      惰性氧化物載體以SiO?、Al?O?為代表，其寬禁帶特性可避免改變光催化劑的電子結構，通過表面官能團調控實現性能優化。SiO?表面豐富的羥基可提供穩定的配位位點，其微孔限域效應能有效抑制催化劑聚集，提升量子產率；Al?O?則憑借更強的表面酸性（pKa≈4.5 vs SiO?的pKa≈6.5），特別適合錨定含酸性基團的光催化劑，其晶格氧缺陷還能增強O?吸附能力，使CO?還原效率提升至12.3 mol·g?1·h?1。Materna團隊的研究表明，Ir(ppy)?(dcabpy)光催化劑共價固定于Al?O?納米顆粒后，在五個反應循環中保持92%的活性，且對極性/非極性底物的選擇性調控能力顯著優于SiO?體系。

      天然礦物載體如粘土、硅藻土因來源廣泛、成本低廉、環境友好等優勢，在環境治理領域備受關注。粘土具有獨特的層狀結構和高離子交換容量，可通過陽離子交換作用將TiO?引入層間或表面，實現高分散負載。例如，蒙脫石負載TiO?復合材料對甲基橙的光催化降解效率顯著優于純TiO?，展現出粘土吸附性能與TiO?催化性能的協同效應。硅藻土作為含水非晶質SiO?，具有孔隙度大、吸附性強的特點，通過機械力活化法制備的TiO?/硅藻土復合材料，在甲基橙降解反應中表現出優異性能，為降低光催化技術成本提供了有效途徑。

      高分子材料如纖維素、聚醚砜（PES）在特定反應器設計中具有不可替代的作用。纖維素載體固定TiO?后，在連續流級聯反應器中對酸性黑24染料的降解展現出吸附-催化協同效應，且材料可重復使用，顯著降低了水處理成本。TiO?修飾的聚醚砜膜則被應用于模塊化環形光催化膜反應器，通過膜載體的分離功能實現催化劑的連續回收與循環利用。

二、固定化光催化劑在反應器中的應用

      固定化技術的發展為光催化反應器的工程化設計提供了核心支撐，針對不同應用場景，已開發出固定床、連續流、平板式、膜反應器等多種類型。反應器的結構設計需重點解決光分布均勻性、傳質效率及催化劑再生等關鍵問題，實現“催化劑-反應器"的高效匹配。

（一）固定床光反應器

      固定床光反應器將固定化催化劑填充于床層內部，具有結構簡單、操作穩定、催化劑流失少等優勢，廣泛應用于氣固相光催化反應如VOCs、NO?降解。其核心設計要點是優化床層孔隙率與光源布置，確保光輻射均勻穿透床層。例如，將Ru(bpy)?2?@SiO?固定化催化劑填充于固定床反應器，在β-雪松烯氧化制阿斯卡酚的反應中，空間時間產率（STY）達33.2 mmol·L?1·h?1，較傳統批次反應提升24倍，展現出連續化生產的顯著優勢。Borah團隊開發的等離子體光催化劑（Sq-azo@PMO）在固定床連續流系統中，通過亞甲基藍異構化反應實現7次循環后活性保持率超過95%，驗證了該反應器類型在長期穩定運行方面的潛力。

（二）連續流光反應器

      連續流光反應器通過精準控制反應物流速與停留時間，實現反應過程的精準調控，特別適用于液固相光催化反應如廢水處理。連續流級聯反應器在酸性黑24染料降解中，通過優化染料初始濃度、處理體積及進料速率，實現了高效降解，且固定化催化劑可重復使用，為工業化水處理提供了可行方案。磁響應型固定化催化劑的應用進一步提升了連續流反應器的性能，Ru(bpy)?2?@Fe@SiO?體系在連續流氧化反應中，催化劑回收效率達98%，循環10次后活性仍保持85%，顯著降低了反應器的維護成本。

（三）平板式光反應器

      平板式光反應器采用扁平狀結構，將固定化催化劑均勻負載于板式載體表面，具有受光面積大、光照均勻性高、傳質效率優、放大效應小等優勢，是光催化技術從實驗室走向產業化的關鍵設備。中科院大連化物所李燦院士團隊提出的“氫農場"項目，采用BiVO?晶體作為水氧化光催化劑，基于平板式反應器設計實現了太陽能制氫，其太陽能-化學能轉化效率（STC）超過1.9％，太陽能-氫能轉化效率（STH）超過1.8％。泊菲萊科技開發的PLR-SPR系列平板式光化學反應裝置，進一步實現了場景化細分：實驗室級裝置適用于催化劑負載量、流速等參數優化；小試級裝置用于戶外量程可行性驗證；量產級裝置通過陣列式串聯/并聯實現規模化生產，其反應流量可達到25~120 L/min，儲液池體積可達1000 L，滿足不同產業化階段需求。該系列裝置還具備實時監測pH、溫度、太陽輻射度等參數的功能，通過擾流層設計提升傳質效率，憑借優良的氣密性保障反應穩定性。

（四）模塊化膜反應器

      模塊化環形光催化膜反應器（MAPMR）將固定化催化劑與膜分離技術相結合，通過將TiO?-聚醚砜復合膜垂直堆疊于環形腔體內，圍繞光源形成均勻的反應區域，有效解決了傳統反應器光分布不均、催化劑回收困難等問題。該反應器配備UV截止濾光片，可選擇性研究紫外光與可見光驅動的光催化過程，避免直接光解干擾。在阿莫西林降解實驗中，通過精準控制反應條件，實現了污染物的高效降解，其模塊化設計便于膜組件更換，支持多種操作模式，并可集成在線監測系統實現實時分析，為復雜體系的光催化處理提供了精準調控方案。

三、挑戰與未來發展方向

      盡管光催化劑固定化技術及其反應器應用已取得顯著進展，但要實現大規模工業化應用，仍面臨三大核心挑戰：一是長期穩定性不足，多數研究僅驗證了數周內的催化劑活性，實際工業場景中的長期運行穩定性缺乏系統驗證；二是載體表面配位位點的可控制性受限，導致固定化催化劑的性能重復性較差，亟需發展精準調控技術；三是光催化過程的微觀機制尚不明確，尤其是催化劑-載體界面相互作用、光生載流子轉移路徑等關鍵科學問題仍需深入探究。

      針對上述挑戰，未來的發展方向可聚焦于以下三個方面：其一，發展多級孔道載體設計技術，結合介孔（>2 nm）與微孔（<2 nm）結構優勢，實現光吸收與傳質效率的協同優化；其二，開發動態響應型固定化系統，利用光敏性載體實現催化劑的可逆釋放與回收，提升反應靈活性與資源利用率；其三，建立原位表征技術平臺，借助同步輻射等手段實時監測反應過程中載體表面配位環境、電子結構的動態變化，為催化劑設計與反應器優化提供理論支撐。

      此外，光催化技術與其他清潔能源技術的耦合將成為重要發展趨勢，如“氫農場"項目實現的太陽能制氫，以及固定化光催化劑與儲能系統的結合，有望為碳中和目標下的能源轉換與環境治理提供一體化解決方案。隨著材料科學與反應器工程的深度融合，光催化劑固定化技術將推動光催化產業從實驗室基礎研究邁向規模化應用，重塑綠色化學工業的發展范式。

產品展示

      SSC-MPCR-150多相光催化反應器主要用于氣固、氣液、固液、氣固液多相光催化反應，可以應用到CO2還原、VOC降解、氣體污染物降解、光催化固氮等多相、均相體系，適用各種催化劑體系，催化劑可以是粉末、液體、膜材料、片狀或塊狀等形態。光催化反應釜主要配合300W、500W光催化氙燈光源、300W大功率LED光源、磁力攪拌器、控溫循環水機等使用，可以配合配氣系統和氣相色譜搭建氣固、氣液、固液、氣固液多相光催化反應測試分析系統。可作為封閉間歇式反應器，也可實現流動相CO2反應；可實現氣-固相光催化CO2反應，也可實現氣-固相光熱CO2反應。

產品優勢：

多相光催化反應器的優勢特點

（1）SSC-MPCR-150多相光催化反應器，針對光催化反應的多種需求，一款簡易反應器即可滿足多種用途；

（2）多相光催化反應器采用釜式設計，耐壓300psi；

（3）可以實現氣、固、液多相或任意兩相的實驗；

（4）配合加熱磁力攪拌器和控溫循環水機實現磁力攪拌和控溫（-10℃~300℃）；

（5）配壓力傳感器，對壓力進行監測；

（6）配備有溫度傳感器可實時監測催化劑的體相溫度；

（7）在光熱催化反應中，需驗證反應過程屬于光致熱催化反應還是光熱協同催化反應；

（8）需要進行對比實驗，即對比光反應條件下相應溫度的轉化率和選擇性和暗反應條件下相同溫度的轉化率和選擇性，從而判斷出光熱反應過程中，光照對于反應體系的影響及影響程度；

（9）可以實現反應中的在線連續取氣體樣品，配合全自動進樣器，實現無人全自動分析；

（10）多相光催化反應器全部采用耐腐蝕不銹鋼一體加工而成，法蘭密封，配置標準球閥和針閥用于進出氣體、2個循環水接頭用于水冷控溫循環。