在全球 “雙碳” 目標(biāo)與可持續(xù)發(fā)展理念的推動下，綠色化學(xué)合成已成為化學(xué)工業(yè)轉(zhuǎn)型的核心方向。傳統(tǒng)化學(xué)合成依賴高溫、高壓條件或有毒試劑，不僅能耗高昂，還伴隨大量污染物排放。而光催化反應(yīng)釜作為一種以光能為驅(qū)動力的新型反應(yīng)裝置，通過半導(dǎo)體催化劑的光激發(fā)效應(yīng)實現(xiàn)溫和條件下的高效化學(xué)反應(yīng)，從源頭上減少了能源消耗與環(huán)境風(fēng)險，正逐步成為綠色化學(xué)合成的 “核心引擎”。

一、綠色化學(xué)合成的核心訴求與光催化反應(yīng)釜的契合點

      綠色化學(xué)合成的核心目標(biāo)可概括為 “原子經(jīng)濟(jì)性”“低能耗”“無廢化” 三大原則，而光催化反應(yīng)釜的技術(shù)特性恰好與之深度契合：

      原子經(jīng)濟(jì)性：光催化反應(yīng)通過光生載流子（電子 - 空穴對）直接活化反應(yīng)物化學(xué)鍵，避免了傳統(tǒng)合成中氧化劑、還原劑等輔助試劑的使用，減少了副產(chǎn)物生成。例如，在苯甲醛合成中，傳統(tǒng)路線需使用 Cr??氧化劑（產(chǎn)生有毒廢液），而光催化反應(yīng)釜中通過 TiO?催化苯甲醇氧化，僅需氧氣作為氧化劑，產(chǎn)物為苯甲醛和水，原子利用率提升至 92%。

      低能耗與溫和條件：光催化反應(yīng)可在常溫常壓下進(jìn)行，反應(yīng)活化能主要來自光能（尤其是太陽能），無需傳統(tǒng)工藝的高溫加熱或高壓設(shè)備。數(shù)據(jù)顯示，光催化合成水楊酸的能耗僅為傳統(tǒng) Kolbe-Schmitt 反應(yīng)的 1/8，且反應(yīng)溫度從 180℃降至 25℃。

      可持續(xù)性：光催化反應(yīng)釜可直接利用太陽能作為能源，配合可循環(huán)使用的半導(dǎo)體催化劑（如 TiO?、g-C?N?），構(gòu)建 “光能 - 化學(xué)能” 轉(zhuǎn)化的閉環(huán)系統(tǒng)。例如，在光催化 CO?還原制甲酸的過程中，催化劑壽命可達(dá) 1000 小時以上，且反應(yīng)原料為 CO?和水，實現(xiàn)了碳資源的循環(huán)利用。

二、光催化反應(yīng)釜在綠色化學(xué)合成中的關(guān)鍵應(yīng)用場景

     光催化反應(yīng)釜憑借其氧化還原性能，已在精細(xì)化工、藥物合成、能源化學(xué)品制備等領(lǐng)域展現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢，推動多個傳統(tǒng)合成路線向綠色化轉(zhuǎn)型。

1. 精細(xì)化學(xué)品的綠色氧化合成

     在醛、酮、羧酸等含氧精細(xì)化學(xué)品的合成中，光催化反應(yīng)釜通過光生空穴或?OH 自由基的強(qiáng)氧化性，實現(xiàn)醇類、烯烴等底物的高效氧化，且產(chǎn)物選擇性遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方法。

     苯甲醇氧化制苯甲醛：采用負(fù)載型 Au/TiO?催化劑，在 365nm LED 光照下，苯甲醇轉(zhuǎn)化率達(dá) 99%，苯甲醛選擇性 > 98%，反應(yīng)條件為常溫常壓（傳統(tǒng)工藝需 120℃、0.5MPa 氧氣壓力）。

    烯烴環(huán)氧化反應(yīng)：以 H?O?為氧源，在 BiVO?光催化反應(yīng)體系中，環(huán)己烯環(huán)氧化生成環(huán)氧環(huán)己烷的選擇性達(dá) 95%，避免了傳統(tǒng)過氧酸氧化法產(chǎn)生的羧酸廢液。

2. 藥物中間體的綠色還原合成

     光催化反應(yīng)釜的還原能力（光生電子）可用于硝基化合物、烯烴等的選擇性還原，為抗生素、抗癌藥物中間體的合成提供綠色路徑。

     硝基苯還原制苯胺：在 CdS / 石墨烯復(fù)合催化劑作用下，可見光照射下硝基苯還原為苯胺的產(chǎn)率達(dá) 96%，無需傳統(tǒng)工藝中的鐵粉或加氫催化劑（如 Pd/C），避免了重金屬污染和氫氣使用風(fēng)險。

     不對稱還原反應(yīng)：通過手性修飾的光催化劑（如聯(lián)萘酚修飾的 TiO?），光催化反應(yīng)釜可實現(xiàn)酮類化合物的不對稱還原，生成手性醇（藥物中間體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)）， enantiomeric excess（ee 值）達(dá) 85%，突破了傳統(tǒng)不對稱催化對高溫高壓的依賴。

3. C-C 鍵構(gòu)建的綠色合成

     C-C 鍵是有機(jī)化合物的骨架結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)構(gòu)建方法（如格氏反應(yīng)、偶聯(lián)反應(yīng)）常需無水無氧條件或有毒配體，而光催化反應(yīng)釜通過自由基機(jī)制實現(xiàn)溫和條件下的 C-C 鍵偶聯(lián)。

     交叉偶聯(lián)反應(yīng)：在 Cu?O/ZnO 復(fù)合催化劑作用下，光催化反應(yīng)釜可實現(xiàn)芳基鹵化物與胺類的 C-N 偶聯(lián)（Buchwald-Hartwig 反應(yīng)），無需傳統(tǒng)的膦配體，反應(yīng)產(chǎn)率提升至 90%，且催化劑可回收使用 5 次以上。

     光催化環(huán)加成反應(yīng)：利用光催化產(chǎn)生的自由基中間體，實現(xiàn)烯烴與炔烴的 [2+2] 環(huán)加成反應(yīng)，合成環(huán)丁烷衍生物（如甾體藥物中間體），反應(yīng)選擇性達(dá) 99%，較傳統(tǒng)熱反應(yīng)節(jié)能 70%。

4. 能源化學(xué)品的光催化合成

     光催化反應(yīng)釜將 CO?、H?O 等廉價原料轉(zhuǎn)化為甲醇、甲烷等能源化學(xué)品，既是綠色合成的典型案例，也是 “碳循環(huán)” 的關(guān)鍵技術(shù)。

     CO?光催化還原制甲醇：在 In?O?/ZrO?催化劑體系中，模擬太陽光照射下，CO?與 H?O 反應(yīng)生成甲醇的產(chǎn)率達(dá) 18.7μmol?g?1?h?1，選擇性 > 90%，為碳捕集與利用（CCU）提供了經(jīng)濟(jì)可行的路徑。

     光催化制氫與有機(jī)合成耦合：在光解水制氫的同時，將產(chǎn)生的氫用于硝基化合物還原，形成 “氫源自給” 的綠色合成體系。例如，在同一反應(yīng)釜中，總能量利用效率較單獨(dú)制氫提升 40%。

三、光催化反應(yīng)釜推動綠色合成的技術(shù)突破

     光催化反應(yīng)釜從實驗室走向工業(yè)化，依賴于反應(yīng)器設(shè)計、催化劑工程與過程調(diào)控的協(xié)同創(chuàng)新，以下技術(shù)突破成為關(guān)鍵支撐：

1. 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化：提升光利用與傳質(zhì)效率

     傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器存在光散射嚴(yán)重、反應(yīng)物與催化劑接觸不均的問題，新型結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了 “光 - 質(zhì) - 能” 的高效耦合：

    微通道光催化反應(yīng)器：采用微米級流道（50-200μm），將催化劑涂覆于通道內(nèi)壁，反應(yīng)物薄層流動減少光衰減，光利用率從傳統(tǒng)反應(yīng)器的 30% 提升至 75%，在染料中間體合成中處理量達(dá) 10L/h。

     光纖陣列反應(yīng)器：通過光纖將光源直接導(dǎo)入反應(yīng)體系內(nèi)部，在催化劑表面形成局部強(qiáng)光場（光強(qiáng)達(dá) 100mW/cm2），使苯乙烯氧化反應(yīng)速率提升 3 倍。

2. 催化劑工程：增強(qiáng)選擇性與穩(wěn)定性

     催化劑是光催化反應(yīng)的 “心臟”，其性能直接決定合成效率與綠色性：

     異質(zhì)結(jié)催化劑設(shè)計：通過構(gòu)建 TiO?/g-C?N?、BiVO?/WO?等異質(zhì)結(jié)，促進(jìn)光生載流子分離，使光催化反應(yīng)量子效率提升至 50% 以上（傳統(tǒng)單一催化劑僅 10-20%）。

     單原子催化劑應(yīng)用：將 Pt、Pd 等金屬以單原子形式負(fù)載于半導(dǎo)體表面，在保持高活性的同時降低貴金屬用量（僅為傳統(tǒng)負(fù)載型催化劑的 1/10），且避免了金屬離子泄漏導(dǎo)致的污染。

3. 多場協(xié)同：突破熱力學(xué)限制

    通過引入電、熱、磁等外場與光場協(xié)同，光催化反應(yīng)釜可突破單一光催化的效率瓶頸：

    光 - 電協(xié)同催化：在反應(yīng)釜內(nèi)施加偏壓（0.5-1.0V），促進(jìn)電子 - 空穴分離，使 CO?還原制甲烷的產(chǎn)率提升 2.5 倍。

    光 - 熱協(xié)同催化：利用光熱材料（如碳納米管）將光能轉(zhuǎn)化為局部熱能（50-80℃），加速反應(yīng)動力學(xué)，在苯酚羥基化反應(yīng)中使轉(zhuǎn)化率從 45% 提升至 89%。

四、挑戰(zhàn)與未來展望

     盡管光催化反應(yīng)釜在綠色化學(xué)合成中展現(xiàn)出巨大潛力，但其大規(guī)模應(yīng)用仍面臨三大挑戰(zhàn)：

    催化劑穩(wěn)定性：部分催化劑（如 CdS）存在光腐蝕問題，長期反應(yīng)后活性下降超過 50%，需通過表面包覆（如 SiO?）或異質(zhì)結(jié)設(shè)計提升穩(wěn)定性。

     工業(yè)化放大瓶頸：實驗室反應(yīng)器（毫升級）向工業(yè)裝置（立方米級）放大時，光分布不均、傳質(zhì)效率下降等問題凸顯，需開發(fā)模塊化陣列反應(yīng)器（如 1000 單元并聯(lián)系統(tǒng)）。

      太陽能利用效率：目前光催化反應(yīng)對太陽能的總利用效率不足 10%，需通過寬光譜催化劑（如黑磷復(fù)合材料）與聚光系統(tǒng)結(jié)合，提升能量轉(zhuǎn)化效率。

     未來，隨著人工智能優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計（如通過機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測優(yōu)光強(qiáng)、流速參數(shù)）、3D 打印定制化反應(yīng)器（實現(xiàn)復(fù)雜流道與光場的精準(zhǔn)匹配）以及光催化與生物催化耦合（構(gòu)建 “人工光合作用 - 酶催化” 復(fù)合體系）等技術(shù)的發(fā)展，光催化反應(yīng)釜有望在更多工業(yè)合成路線中替代傳統(tǒng)工藝。

     正如綠色化學(xué)的先驅(qū) Paul Anastas 所言：“好的合成路線是不產(chǎn)生廢物的路線”，光催化反應(yīng)釜正以其 “光能驅(qū)動、溫和高效” 的特性，成為實現(xiàn)這一目標(biāo)的核心裝備，重新定義化學(xué)合成的可持續(xù)性邊界。

產(chǎn)品展示

     為適應(yīng)光化學(xué)、光催化的發(fā)展，鑫視科shinsco研發(fā)多款光催化高壓反應(yīng)釜，可以實現(xiàn)在高壓下的光化學(xué)、光催化、能源催化、合成、降解等反應(yīng)。適用于光化學(xué)高壓反應(yīng)、光催化高壓反應(yīng)、光催化二氧化碳CO2還原、污染氣體降解、VOCs光催化降解、光催化高壓合成、氮氧化物NOx的還原降解、甲醛的高壓光催化降解、甲烷重整等領(lǐng)域，還可用于反應(yīng)可視研究、取樣分析、多相相行為觀察、超臨界微粒制備的噴霧觀察、熱力學(xué)性質(zhì)研究、長時間溶解過程觀測等。

     適合少量樣品的反應(yīng)，是昂貴或低產(chǎn)量原材料樣品測試的理想的反應(yīng)裝置，可配置質(zhì)量流量計通入定量氣體，配置高壓液體進(jìn)料泵定量通入液體，可在線全自動采樣，實現(xiàn)樣品的在線自動分析測試。