綠色化學(xué)合成旨在降低化學(xué)過程對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，太陽能催化作為一種新興技術(shù)，利用太陽能驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，為綠色化學(xué)合成開辟了新路徑。本文闡述了太陽能催化應(yīng)用于綠色化學(xué)合成的原理、優(yōu)勢(shì)，介紹了在過氧化氫合成、高值化學(xué)品制備等方面的研究進(jìn)展，分析了當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。太陽能催化有望在綠色化學(xué)合成領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，助力實(shí)現(xiàn)化學(xué)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

一、引言

       綠色化學(xué)，又稱環(huán)境友好化學(xué)或清潔化學(xué)，致力于從源頭上減少或消除化學(xué)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用中有害物質(zhì)的使用和產(chǎn)生，以實(shí)現(xiàn)化學(xué)過程的可持續(xù)性，保護(hù)人類健康和環(huán)境質(zhì)量。傳統(tǒng)化學(xué)合成方法常依賴有毒有害試劑和溶劑，產(chǎn)生大量廢棄物和污染物，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成潛在威脅。因此，開發(fā)綠色、高效的化學(xué)合成技術(shù)迫在眉睫。

      太陽能作為一種豐富、清潔且可再生的能源，取之不盡、用之不竭。太陽能催化技術(shù)利用太陽能作為能量源，通過光催化劑激發(fā)光生電子和空穴，從而促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，為綠色化學(xué)合成提供了創(chuàng)新途徑。該技術(shù)能夠減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴，降低化學(xué)過程中的能耗和污染物排放，符合綠色化學(xué)的核心原則，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的研究?jī)r(jià)值。

二、太陽能催化的基本原理

2.1 光激發(fā)過程

      太陽能催化的基礎(chǔ)是光激發(fā)。當(dāng)光催化劑（如常見的半導(dǎo)體材料二氧化鈦 TiO?、氧化鋅 ZnO、硫化鎘 CdS 等）受到能量高于其禁帶寬度的光輻射時(shí)，價(jià)帶上的電子會(huì)吸收光子能量，躍遷到導(dǎo)帶上，形成光生電子（e?），同時(shí)在價(jià)帶上留下空穴（h?），即產(chǎn)生光生電子 - 空穴對(duì)。例如，TiO?的禁帶寬度約為 3.2 eV，當(dāng)波長小于 387.5 nm 的紫外光照射時(shí)，就會(huì)引發(fā)光激發(fā)過程 。

2.2 載流子的遷移與復(fù)合

    光生電子 - 空穴對(duì)形成后，在半導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)作用下，它們會(huì)發(fā)生遷移，向半導(dǎo)體表面移動(dòng)。在此過程中，部分光生電子和空穴可能會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)部或表面發(fā)生復(fù)合。復(fù)合過程會(huì)以熱能等形式釋放能量，導(dǎo)致光催化效率降低。為提高太陽能催化效率，需要抑制載流子的復(fù)合，促進(jìn)其遷移到表面參與化學(xué)反應(yīng) 。

2.3 氧化還原反應(yīng)

     遷移到半導(dǎo)體光催化劑表面的光生電子具有還原性，能夠與吸附在表面的氧化性物質(zhì)發(fā)生還原反應(yīng)；而光生空穴具有氧化性，可與吸附的還原性物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)。以光催化分解水制氫為例，光生電子將水中的氫離子（H?）還原為氫氣（H?），光生空穴則將水氧化為氧氣（O?） 。

三、太陽能催化在綠色化學(xué)合成中的優(yōu)勢(shì)

3.1 環(huán)境友好

      太陽能催化利用太陽能這一清潔能源驅(qū)動(dòng)反應(yīng)，避免了傳統(tǒng)化學(xué)合成中大量使用化石能源所帶來的碳排放和其他污染物排放。同時(shí)，通過選擇合適的光催化劑和反應(yīng)體系，可以減少甚至避免使用有毒有害的試劑和溶劑，從源頭降低化學(xué)過程對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響 。

3.2 原子經(jīng)濟(jì)性高

      理想的太陽能催化反應(yīng)能夠精準(zhǔn)地將反應(yīng)物的原子轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物，提高原子利用率，減少副產(chǎn)物的生成。例如在某些有機(jī)合成反應(yīng)中，光催化可以通過精確控制反應(yīng)條件和光催化劑的選擇性，使反應(yīng)朝著生成目標(biāo)產(chǎn)物的方向進(jìn)行，減少原子的浪費(fèi)，符合綠色化學(xué)對(duì)原子經(jīng)濟(jì)性的追求 。

3.3 反應(yīng)條件溫和

      相較于傳統(tǒng)化學(xué)合成中常需要的高溫、高壓等苛刻條件，太陽能催化反應(yīng)通常在常溫、常壓下即可進(jìn)行。溫和的反應(yīng)條件不僅降低了能源消耗和設(shè)備要求，還減少了因高溫高壓可能帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了化學(xué)合成過程的安全性和可操作性 。

四、太陽能催化在綠色化學(xué)合成中的應(yīng)用實(shí)例

4.1 過氧化氫的綠色合成

      過氧化氫（H?O?）是一種重要的綠色氧化劑和潛在的清潔燃料，在環(huán)境保護(hù)、化學(xué)合成、醫(yī)療消毒和廢水處理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)工業(yè)上大量合成 H?O?主要采用 “蒽醌法"，該工藝繁瑣，且存在有機(jī)物環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。利用太陽能通過光催化的方式，將水和氧氣反應(yīng)生成 H?O?，是一種具有吸引力的綠色合成途徑。

      華東理工大學(xué)花建麗教授團(tuán)隊(duì)在這方面取得重要進(jìn)展。他們將鄰苯二酚氧化還原活性基團(tuán)引入到共價(jià)有機(jī)框架（COFs）中，形成新的化學(xué)鍵儲(chǔ)存并傳輸電子，有效抑制了光催化過程中的電荷復(fù)合，降低了 H?O?產(chǎn)生過程中的能壘?；谒谋交胶袜彵蕉涌s合構(gòu)建的 TPB - COF - OH，可在純水和空氣中光催化全合成 H?O?，生成速率達(dá) 6608 μmol h?1 g?1，太陽能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換效率（SCC）高達(dá) 0.84%，是目前 COFs 類光催化劑在太陽能驅(qū)動(dòng)的 H?O?生產(chǎn)中的最高值之一 。

      此外，該團(tuán)隊(duì)還將吩嗪氧化還原活性單元引入到共軛微孔聚合物（CMPs）中，設(shè)計(jì)合成了一系列具有高效光催化活性的聚合物。其中基于四苯乙烯和吩嗪偶聯(lián)構(gòu)建的 TPE - PNZ 光催化合成 H?O?的速率為 5142 μmol h?1 g?1，SCC 達(dá)到 0.58%，是 CMPs 類光催化劑產(chǎn) H?O?的最高值之一。吩嗪與二氫吩嗪的可逆互變有效促進(jìn)了聚合物的電荷分離，同時(shí)促進(jìn) O?的吸附和還原過程，實(shí)現(xiàn)了光催化劑高效率綠色合成 H?O? 。

4.2 高值化學(xué)品的合成

      中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所劉健團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化光 / 電催化與酶催化的適配過程，發(fā)展了光 / 電 - 酶耦合新路徑，實(shí)現(xiàn)了高值化學(xué)品的合成。

      該團(tuán)隊(duì)利用配位修飾策略合成了具有不對(duì)稱層間極化特性的 Rh - ZnIn?S?光催化劑，促進(jìn)了芳香醇底物的優(yōu)先吸附以及 α - C - H 和 O - H 鍵活化，實(shí)現(xiàn)了氧化端芳香醇到芳香醛的高效、高選擇性轉(zhuǎn)化。同時(shí)，還原端生物輔因子 NADH 再生效率達(dá)到文獻(xiàn)報(bào)道的優(yōu)水平，為偶聯(lián)甲酸脫氫酶提供了適宜的底物動(dòng)力學(xué)條件。在光照下，Rh - ZnIn?S?光催化劑能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)芳香醇到芳香醛的選擇性轉(zhuǎn)化和 NADH 的高效再生，進(jìn)而結(jié)合甲酸脫氫酶可實(shí)現(xiàn) CO?到甲酸鹽的持續(xù)轉(zhuǎn)化 。

      進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了新型的電 - 酶耦合路徑。利用 CO?電還原產(chǎn)生的甲酸鹽介導(dǎo) NADH 再生進(jìn)而驅(qū)動(dòng)酶催化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了高價(jià)值化學(xué)品的連續(xù)合成。該工作利用鉍基電催化劑，在較高的電流密度和選擇性下穩(wěn)定地將 CO?還原轉(zhuǎn)化為甲酸鹽。原位生成的甲酸鹽通過 Rh 絡(luò)合物再生 NADH，與固定在基底上的脫氫酶結(jié)合，可進(jìn)行目標(biāo)化學(xué)品的高效連續(xù)合成，且基于酶的 TON 為 1.8×10? ~ 3.1×10?，超過目前報(bào)道的水平 。

4.3 有機(jī)合成反應(yīng)

      在有機(jī)合成領(lǐng)域，太陽能催化也展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)有機(jī)合成反應(yīng)常需大量有機(jī)溶劑，且反應(yīng)條件苛刻、副反應(yīng)多。光催化有機(jī)合成反應(yīng)可在溫和條件下進(jìn)行，減少有機(jī)溶劑使用，提高反應(yīng)選擇性。

      南京理工大學(xué)楊勇課題組研究發(fā)現(xiàn)，無定形態(tài)的多孔有機(jī)聚合物（POPs）作為光催化劑，在光催化氧化、偶聯(lián)、還原、環(huán)加成和聚合等有機(jī)反應(yīng)中表現(xiàn)出良好性能。POPs 具有孔隙率高、化學(xué)穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)可調(diào)、性能多樣等優(yōu)勢(shì)，為有機(jī)合成提供了新的催化劑選擇 。

五、太陽能催化用于綠色化學(xué)合成面臨的挑戰(zhàn)

5.1 光催化劑性能有待提高

      目前大多數(shù)光催化劑存在光吸收范圍窄、光生載流子復(fù)合率高、催化活性和選擇性不足等問題。例如常見的 TiO?光催化劑，只能吸收紫外光，對(duì)占太陽能大部分能量的可見光響應(yīng)較弱，限制了其太陽能利用效率。開發(fā)具有寬光譜響應(yīng)、高載流子分離效率和高催化活性與選擇性的新型光催化劑是亟待解決的關(guān)鍵問題 。

5.2 光能轉(zhuǎn)換效率低

       盡管科研人員在不斷努力，但目前太陽能催化體系的光能轉(zhuǎn)換效率大多仍在較低水平，多數(shù)在 1% - 3% 甚至更低。低光能轉(zhuǎn)換效率導(dǎo)致太陽能催化反應(yīng)速率慢、產(chǎn)率低，難以滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)需求。提高光能轉(zhuǎn)換效率，需要從光催化劑設(shè)計(jì)、反應(yīng)體系優(yōu)化、光反應(yīng)器設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行深入研究 。

5.3 催化劑穩(wěn)定性和壽命問題

      在實(shí)際應(yīng)用中，光催化劑可能會(huì)受到光照、反應(yīng)介質(zhì)、溫度等多種因素影響，導(dǎo)致其活性逐漸降低，壽命縮短。例如一些光催化劑在長時(shí)間光照下會(huì)發(fā)生光腐蝕現(xiàn)象，影響其催化性能和穩(wěn)定性。如何提高光催化劑的穩(wěn)定性，延長其使用壽命，是實(shí)現(xiàn)太陽能催化綠色化學(xué)合成工業(yè)化應(yīng)用的重要挑戰(zhàn) 。

5.4 反應(yīng)機(jī)理研究不夠深入

      太陽能催化反應(yīng)涉及復(fù)雜的光物理和光化學(xué)過程，目前對(duì)于一些反應(yīng)的具體機(jī)理尚未明晰。對(duì)反應(yīng)機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，不利于精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化光催化劑及反應(yīng)體系，阻礙了太陽能催化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。加強(qiáng)對(duì)太陽能催化反應(yīng)機(jī)理的研究，借助先進(jìn)的表征技術(shù)和理論計(jì)算手段，深入探究反應(yīng)過程中的電子轉(zhuǎn)移、能量傳遞等機(jī)制，具有重要意義 。

六、太陽能催化在綠色化學(xué)合成中的發(fā)展方向

6.1 新型光催化劑的設(shè)計(jì)與開發(fā)

       一方面，通過材料復(fù)合與改性，如構(gòu)建異質(zhì)結(jié)、摻雜等方式，優(yōu)化現(xiàn)有光催化劑性能。例如將不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料復(fù)合，形成異質(zhì)結(jié)，促進(jìn)光生載流子的分離，拓寬光吸收范圍。另一方面，探索新型光催化材料，如金屬有機(jī)框架（MOFs）、共價(jià)有機(jī)框架（COFs）、二維材料等，利用其的結(jié)構(gòu)和性能，開發(fā)高效光催化劑 。

6.2 提高光能轉(zhuǎn)換效率的策略研究

       從光捕獲、載流子傳輸與分離、催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等多環(huán)節(jié)入手，提高光能轉(zhuǎn)換效率。設(shè)計(jì)高效的光捕獲結(jié)構(gòu)，如采用納米結(jié)構(gòu)、光子晶體等增強(qiáng)光吸收；優(yōu)化光催化劑的電子結(jié)構(gòu)，提高載流子遷移速率，抑制復(fù)合；深入研究催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，優(yōu)化反應(yīng)條件，提高反應(yīng)速率和選擇性 。

6.3 光催化反應(yīng)體系的優(yōu)化與集成

      開發(fā)新型光反應(yīng)器，優(yōu)化光的分布和利用效率，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的連續(xù)化和規(guī)模化。將太陽能催化與其他技術(shù)，如電催化、生物催化等耦合，構(gòu)建協(xié)同催化體系，發(fā)揮不同技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高整體催化效率和產(chǎn)物選擇性 。

6.4 深入研究反應(yīng)機(jī)理

      結(jié)合先進(jìn)的原位表征技術(shù)，如原位光譜、原位電鏡等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽能催化反應(yīng)過程中的中間物種和變化，結(jié)合理論計(jì)算，深入解析反應(yīng)機(jī)理，為光催化劑設(shè)計(jì)和反應(yīng)體系優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ) 。

七、結(jié)論

      太陽能催化技術(shù)為綠色化學(xué)合成提供了一條具有潛力的新路徑，在實(shí)現(xiàn)化學(xué)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面具有重要意義。通過利用太陽能驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，該技術(shù)展現(xiàn)出環(huán)境友好、原子經(jīng)濟(jì)性高、反應(yīng)條件溫和等顯著優(yōu)勢(shì)，并在過氧化氫合成、高值化學(xué)品制備、有機(jī)合成等多個(gè)領(lǐng)域取得了令人矚目的研究進(jìn)展。然而，目前太陽能催化技術(shù)在光催化劑性能、光能轉(zhuǎn)換效率、催化劑穩(wěn)定性以及反應(yīng)機(jī)理研究等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

      未來，通過持續(xù)開展新型光催化劑的設(shè)計(jì)與開發(fā)、提高光能轉(zhuǎn)換效率的策略研究、光催化反應(yīng)體系的優(yōu)化與集成以及深入探究反應(yīng)機(jī)理等工作，有望突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，推動(dòng)太陽能催化技術(shù)在綠色化學(xué)合成領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更廣泛的應(yīng)用和更大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，為解決化學(xué)工業(yè)面臨的環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展問題提供切實(shí)可行的解決方案，助力人類社會(huì)邁向更加綠色、低碳的未來 。

產(chǎn)品展示

        SSC-CTR900 催化高溫反應(yīng)儀適用于常規(guī)高溫高壓催化反應(yīng)、光熱協(xié)同化、催化劑的評(píng)價(jià)及篩選、可做光催化的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)歷程等方面的研究。主要應(yīng)用到高溫高壓光熱催化反應(yīng)，光熱協(xié)同催化，具體可用于半導(dǎo)體材料的合成燒結(jié)、催化劑材料的制備、催化劑材料的活性評(píng)價(jià)、光解水制氫、光解水制氧、二氧化碳還原、氣相光催化、甲醛乙醛氣體的光催化降解、苯系物的降解分析、VOCs、NOx、SOx、固氮等領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)氣固液多相體系催化反應(yīng)，氣固高溫高壓的催化反應(yīng)，滿足大多數(shù)催化劑的評(píng)價(jià)需求。

產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)：

      SSC-CTR900催化高溫反應(yīng)儀的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

     1)高溫高壓催化反應(yīng)儀可實(shí)現(xiàn)催化高溫<900℃C高壓<10MPa反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

     2)紫外、可見、紅外等光源照射到催化劑材料的表面，實(shí)現(xiàn)光熱協(xié)同和光誘導(dǎo)催化;

     3)光熱催化反應(yīng)器采用高透光石英玻璃管，也可以采用高壓反應(yīng)管，兼容≤30mm 反應(yīng)管;

     4)可以實(shí)現(xiàn)氣氛保護(hù)、抽取真空、PECVD、多種氣體流量控制等功能;

     5)可以外接鼓泡配氣、背壓閥、氣液分離器、氣相色譜等，實(shí)現(xiàn)各種功能的擴(kuò)展;

     6) 采取模塊化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)光源、高溫反應(yīng)爐、高溫石英反應(yīng)器、高真空、固定床反應(yīng)、光熱反應(yīng)等匹配使用;

     7) 高溫高壓催化反應(yīng)儀，小的占地面積，可多功能靈活，即買即用。