光催化CO2還原反應(yīng)具有綠色、條件溫和、原料來源豐富等特點(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，除了開發(fā)、合理設(shè)計(jì)高效催化劑，同時(shí)也可以通過優(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，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，如圖2（b）所示。相比于上述方式，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測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)在線微量氣體分析系統(tǒng)（以下簡稱Labsolar-6A系統(tǒng)），如圖3所示。

在線測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)搭載在線測溫氣固相光催化反應(yīng)器現(xiàn)場實(shí)物圖（湖南大學(xué)）[12].

除了光催化CO2還原反應(yīng)之外，在線測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)有專用的原位紅外測溫口，非接觸式實(shí)時(shí)測量催化劑表面溫度并記錄，同時(shí)配有恒溫夾套，一定程度降低熱耗散，如圖4所示。

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

在線測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；

• 溫度測量范圍：0~600℃；

• 測量精度：0.1℃。

圖5.在線測溫氣固相光催化反應(yīng)器及其配附件.