在全球生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化與能源危機日益嚴峻的雙重壓力下，開發(fā)高效、可持續(xù)的技術來實現(xiàn)環(huán)境修復與能源轉換的協(xié)同發(fā)展成為當務之急。太陽能驅動的光催化技術，憑借其利用清潔、可再生太陽能驅動化學反應的優(yōu)勢，為這一緊迫問題提供了潛力的解決方案。該技術不僅能夠在環(huán)境修復領域發(fā)揮關鍵作用，有效降解有機污染物、凈化水體和空氣，還能在能源轉換方面展現(xiàn)出巨大潛力，將太陽能轉化為化學能存儲在氫氣或其他燃料中，為能源結構的轉型提供新的途徑。

一、協(xié)同作用原理

      太陽能驅動的光催化過程以光催化劑為核心，常見的光催化劑如二氧化鈦（TiO?）、氧化鋅（ZnO）、硫化鎘（CdS）等半導體材料。當這些光催化劑受到能量大于其禁帶寬度的太陽光照射時，價帶中的電子會被激發(fā)躍遷到導帶，在價帶留下空穴，從而形成光生電子 - 空穴對。光生電子具有還原性，空穴具有氧化性，它們遷移到催化劑表面后，可與吸附在表面的物質發(fā)生氧化還原反應。

      在環(huán)境修復方面，以光催化降解有機污染物為例，光生空穴可直接氧化有機污染物，或者與表面吸附的水分子反應生成具有強氧化性的羥基自由基（?OH），?OH 幾乎能將所有有機污染物氧化分解為二氧化碳和水等小分子無機物，實現(xiàn)污染物的無害化處理。在光催化殺菌消毒過程中，光催化產生的強氧化性活性物種，如羥基自由基（?OH）、超氧自由基（?O??）等，能夠破壞細菌、病毒等微生物的細胞結構和生物大分子，達到殺菌消毒的目的。

      在能源轉換領域，以光解水制氫為例，光生電子用于還原質子生成氫氣，光生空穴則氧化水生成氧氣，從而實現(xiàn)太陽能向化學能的轉化，將太陽能存儲在氫氣這一清潔能源中。在太陽能驅動的 CO?還原合成燃料過程中，光催化劑利用太陽能將 CO?轉化為甲烷（CH?）、甲醇（CH?OH）等有價值的燃料，不僅實現(xiàn)了太陽能的存儲和轉化，還能有效減少大氣中的 CO?濃度，緩解溫室效應。由此可見，太陽能驅動的光催化技術通過光生電子 - 空穴對引發(fā)的氧化還原反應，巧妙地將環(huán)境修復與能源轉換緊密聯(lián)系在一起，實現(xiàn)了二者的協(xié)同發(fā)展。

二、環(huán)境修復中的應用

（1）有機污染物降解

      太陽能光催化技術在有機污染物降解方面展現(xiàn)出了性能，無論是水中的染料、農藥、抗生素等有機污染物，還是空氣中的甲醛、苯、揮發(fā)性有機化合物（VOCs）等有害氣體，都能在光催化劑的作用下被有效降解。在水污染治理領域，眾多科研團隊致力于研發(fā)高效的光催化劑用于處理各類有機廢水。例如，昆明理工大學的研究團隊通過創(chuàng)新性的 “結構 — 電場" 協(xié)同調控策略，成功制備出 “蛋黃 — 雙殼" 構型的銅基復合微球材料。該材料在處理四環(huán)素類抗生素污染水體時，展現(xiàn)出了驚人的太陽能驅動降解效率，相較于傳統(tǒng)材料提升了數(shù)十倍之多，處理后的水體能夠滿足嚴格的生態(tài)安全要求。這一成果的關鍵在于該材料通過構建多級電子傳輸通道與梯度電場，促使光電子向內核定向遷移，同時將氧化性空穴錨定在表面活性位點，結合銅納米顆粒的等離子體共振增強效應，實現(xiàn)了光能吸收與電荷分離效率的同步提升。

      在大氣污染治理方面，光催化空氣凈化產品逐漸走進人們的生活。一些光催化涂料、空氣凈化器等產品利用光催化技術，能夠將空氣中的有害污染物分解為無害的小分子物質，有效改善室內外空氣質量。如浙江和諧光催化科技有限公司研發(fā)的光催化涂料，經(jīng)國家機構實驗證明，每噴涂 1 立方米，就能清除 95% 的甲醛。這些產品的廣泛應用，為解決大氣污染問題提供了新的手段，特別是在室內空氣污染治理方面，能夠為人們創(chuàng)造更加健康的生活環(huán)境。

（2）水體凈化與消毒

      在飲用水處理中，太陽能光催化技術可用于殺滅水中的致病微生物，保障飲用水安全。例如，將光催化劑固定在飲用水處理裝置中，利用太陽光照射，能夠有效殺滅水中的大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等常見致病微生物，使處理后的水符合飲用水衛(wèi)生標準。在某小型飲用水處理項目中，采用負載型二氧化鈦光催化劑，經(jīng)過一段時間的實際運行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，水中微生物數(shù)量大幅減少，水質得到顯著改善。

      在污水處理方面，太陽能光催化技術同樣具有重要應用價值。對于含有多種有機污染物和微生物的污水，光催化反應能夠同時實現(xiàn)有機污染物的降解和微生物的滅活。例如，一些工業(yè)廢水處理廠嘗試采用太陽能光催化技術作為深度處理工藝，對傳統(tǒng)工藝處理后的出水進行進一步凈化，可有效降低廢水中殘留的有機污染物濃度，提高廢水的可生化性，使其能夠達到更高的排放標準或實現(xiàn)回用。而且，相較于傳統(tǒng)的化學消毒方法，光催化消毒無二次污染，避免了化學消毒劑殘留對環(huán)境和人體健康的潛在危害。

能源轉換中的進展

（3）光解水制氫

      光解水制氫是太陽能驅動光催化技術在能源轉換領域具潛力的應用之一。氫氣作為一種清潔能源，燃燒產物僅為水，不會產生溫室氣體和污染物，被視為未來能源的理想載體。然而，目前光解水制氫的效率還相對較低，制約了其大規(guī)模應用。科研人員通過多種手段不斷提高光解水制氫的效率。例如，山東農業(yè)大學殷煥順、王軍教授團隊制備的三元鉍系光催化劑，在可見光照射下，不僅能夠快速降解水中有機污染物，還能將有機氮轉化為銨肥，同時在光解水制氫方面也展現(xiàn)出了一定的潛力。

      此外，一些研究團隊通過構建復合光催化體系，利用不同光催化劑之間的協(xié)同作用，提高光生載流子的分離效率，從而提升光解水制氫的性能。中國科學院金屬研究所的科研人員通過引入稀土元素鈧對傳統(tǒng)的二氧化鈦半導體光催化材料進行改造，成功制備出顆粒表面由 “101" 和 “110" 兩類晶面組成的金紅石相二氧化鈦。這兩個晶面分工明確，一個專門收集電子，另一個負責接收空穴，它們之間還形成了強度堪比太陽能電池的定向電場（約 1 千伏每厘米），使得改造后的光催化材料紫外線利用率突破 30%，在模擬太陽光下產氫效率較同類材料提升 15 倍，創(chuàng)造了該材料體系的新紀錄。

（4）太陽能燃料合成

      除了光解水制氫，太陽能驅動的光催化技術還可用于太陽能燃料合成，如將 CO?轉化為有價值的燃料。某研究團隊利用光催化活性評價系統(tǒng)篩選出一種基于 Cu?O 的催化劑，在特定反應條件下，對 CO?還原生成 CH?的選擇性高達 60%，為實現(xiàn)碳循環(huán)利用和太陽能燃料合成提供了新的途徑。通過合理設計光催化劑的結構和組成，以及優(yōu)化反應條件，進一步提高太陽能燃料合成的效率和選擇性，是該領域的研究重點和發(fā)展方向。

      在實際應用中，太陽能燃料合成技術的發(fā)展有望為減少對化石燃料的依賴、實現(xiàn)碳減排目標做出重要貢獻。例如，在一些工業(yè)廢氣排放場景中，可利用太陽能驅動的光催化技術將廢氣中的 CO?轉化為燃料，不僅實現(xiàn)了廢氣的資源化利用，還減少了 CO?的排放。同時，太陽能燃料合成技術與光解水制氫技術相結合，可構建更加完善的太陽能化學能轉化體系，為未來能源供應提供多樣化的選擇。

三、協(xié)同發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與解決方案

      盡管太陽能驅動的光催化技術在環(huán)境修復與能源轉換的協(xié)同發(fā)展方面取得了顯著進展，但在實際應用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，光催化劑的光催化活性和穩(wěn)定性有待進一步提高。目前大多數(shù)光催化劑存在光生載流子復合率高、量子效率低等問題，導致光催化反應效率不高；部分光催化劑在長期使用過程中，會因光腐蝕、中毒等原因而失活，影響其穩(wěn)定性和使用壽命。其次，光催化反應體系的規(guī)模化放大存在困難。從實驗室的小型反應裝置到工業(yè)生產的大型反應器，需要解決光的均勻分布、反應物的傳質傳熱以及催化劑的固定和回收等一系列工程問題，目前相關的工程技術還不夠成熟。此外，光催化技術的成本效益也是制約其大規(guī)模應用的重要因素。高效光催化劑的制備成本較高，同時光催化反應過程中的能耗等運營成本也需要進一步降低，以提高其在市場上的競爭力。

      針對這些挑戰(zhàn)，科研人員正積極探索解決方案。在光催化劑研發(fā)方面，通過材料科學、納米技術、計算化學等多學科的交叉融合，開發(fā)新型光催化劑。例如，利用人工智能和機器學習技術篩選和設計光催化劑，能夠加速新型光催化劑的研發(fā)進程；通過納米制造技術精確調控光催化劑的微觀結構，實現(xiàn)對其性能的精準優(yōu)化。在光催化反應體系工程化方面，加強對光反應器設計、光傳輸與分布、反應物傳質傳熱等方面的研究，開發(fā)高效的光催化反應器。例如，采用新型的光聚焦和反射技術，提高光的利用效率；設計合理的反應器結構，促進反應物與催化劑的充分接觸和反應。在成本控制方面，通過優(yōu)化光催化劑的制備工藝、開發(fā)低成本的光催化劑材料以及提高光催化反應體系的能源利用效率等方式，降低光催化技術的成本。例如，利用生物質等廉價原料制備光催化劑，或者通過與其他成熟技術集成，實現(xiàn)資源的綜合利用和成本的分攤。

四、未來展望

      隨著技術的不斷進步與創(chuàng)新，太陽能驅動的光催化技術在環(huán)境修復與能源轉換的協(xié)同發(fā)展方面具有廣闊的前景。在環(huán)境修復領域，該技術將在水污染、大氣污染和土壤污染治理等方面發(fā)揮更大的作用，為改善生態(tài)環(huán)境質量提供有力支持。例如，在土壤污染治理中，光催化技術可用于降解土壤中的有機污染物，修復受污染的土壤，促進土壤生態(tài)系統(tǒng)的恢復。在能源轉換領域，光解水制氫和太陽能燃料合成技術的發(fā)展，有望推動能源結構的轉型，實現(xiàn)可持續(xù)能源的大規(guī)模生產和利用。隨著新型光催化劑和高效光催化反應體系的不斷涌現(xiàn)，太陽能驅動的光催化技術的效率和成本效益將不斷提高，使其在市場競爭中更具優(yōu)勢。

五、總結

      太陽能驅動的光催化技術還將與其他新興技術，如儲能技術、智能控制技術等相結合，構建更加完善的能源與環(huán)境協(xié)同治理體系。例如，將光催化產生的氫氣存儲起來，通過燃料電池等裝置實現(xiàn)電能的按需輸出；利用智能控制技術根據(jù)光照強度、環(huán)境污染物濃度等實時調整光催化反應條件，提高系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性。通過不斷攻克技術難題，加強基礎研究與工程應用的結合，太陽能驅動的光催化技術必將在未來為解決能源與環(huán)境問題做出重要貢獻，推動人類社會向更加綠色、低碳、可持續(xù)的方向發(fā)展。

產品展示

      近年來半導體行業(yè)的快速發(fā)展，超高純316L不銹鋼，符合SEMI F20標準，通過真空感應熔煉+真空自耗重熔（VIM+VAR），并使用特殊的工藝處理，對材料進行提純，進一步減少了材料中的的非金屬夾雜物和氣體成分。EP管（316L，VIM+VAR）是表面經(jīng)過電解拋光處理，以提高產品內部的平滑性，并在金屬表面形成富鉻層以提高耐腐蝕性，電解拋光后的產品做鈍化處理以去除游離鐵離子。EP拋光產品經(jīng) SEM、 ESCA/XPS、AES分析，產品質量半導體協(xié)會 SEMI F20 標準。

      基于EP拋光（316L，VIM+VAR）技術的發(fā)展，鑫視科shinsco采用國內優(yōu)秀企業(yè)生產的EP管（316L，VIM+VAR）和EP自動閥門，替換了光催化活性評價系統(tǒng)的原有玻璃管路和閥門，并實現(xiàn)了PLC全面控制整套系統(tǒng)，實現(xiàn)了SSC-PCAE光催化活性評價系統(tǒng)的全自動化運行。

    SSC-PCAE光催化活性評價系統(tǒng)(Photocatalytic activity evaluation system)沿用半導體行業(yè)的真空技術，將玻璃管路和閥門替換為EP管和EP自動閥，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的全自動控制實驗過程，全自動在線采樣分析，實現(xiàn)了實驗中真正的全自動運行。SSC-PCAE光催化活性評價系統(tǒng)主要應用于光解水、全解水、電催化、光催化CO2還原、光催化固氮、光電催化氣體產物分析、耐壓釜式反應、催化反應的微量氣體收集等。

產品優(yōu)勢：

1)封閉反應的產物氣體收集、采樣、在線分析的一體化系統(tǒng)；

2)內置氣體磁力增壓泵，形成高強壓差，實現(xiàn)氣體快速混勻；

3)全系統(tǒng)耐壓-14.6psi ~150psi，實現(xiàn)了從真空到10atm的壓力覆蓋；

4)應用半導體材料（TiO2、InO、C3N4、CdS等）催化劑的活性評價；

5)催化劑產氫、產氧、光解水的性能分析；

6)催化劑二氧化碳還原的性能分析；

7)系統(tǒng)可配和玻璃、石英、不銹鋼、PEEK、PTFE等材料制備的反應器使用

8)可滿足光電反應、氣固反應、膜催化、多相反應等特殊實驗要求；

9)系統(tǒng)管閥件全部采用EP（316L，VIM+VAR）管和EP閥，對氣體無吸附；

10)系統(tǒng)即裝即用，可兼容任意廠家氣相色譜儀，無需額外增加進樣閥門；

11) GC測試范圍廣，氫、氧、CO2、甲烷、CO、甲醛、C1-C5等微量氣體；