光催化反应釜是一种用于光催化反应（Photocatalysis）的实验或工业设备，通常用于在光照条件下催化化学反应（如降解污染物、水分解制氢、CO₂还原、有机合成等）。其核心特点是利用光能（紫外光、可见光等）激发催化剂（如TiO₂、g-C₃N₄等），产生电子-空穴对，进而驱动氧化还原反应。

1. 主要应用

• 环境治理：降解有机污染物（如染料、农药、VOCs）。

• 能源领域：光解水制氢（H₂）、CO₂还原为燃料（如CH₄、CH₃OH）。

• 有机合成：光催化氧化/还原反应（如C-H键活化、选择性合成）。

• 杀菌消毒：利用光催化产生的活性氧（ROS）杀灭微生物。

2. 设备结构与关键部件

（1）反应釜主体

• 材质：需透光且耐腐蚀，常见选择：

  • 石英玻璃：高透光率（尤其紫外光），耐高温。

  • 硼硅酸盐玻璃：透可见光，成本较低。

  • 不锈钢+石英窗口：工业级大型反应器。

• 设计形式：

  • 批次式：实验室常用，带磁力搅拌。

  • 连续流动式：工业应用，提高处理效率。

（2）光源系统

• 光源类型：

  • 紫外灯：高压汞灯（254 nm）、LED紫外灯。

  • 可见光灯：氙灯、LED白光或特定波长。

  • 太阳光模拟器：用于研究自然光催化。

• 光源位置：

  • 外置式：光源在反应釜外部，通过透光壁照射。

  • 内置式：光源直接插入反应液（需密封防漏电）。

（3）催化剂负载

• 悬浮式：催化剂粉末直接分散在反应液中（需后续分离）。

• 固定式：催化剂涂覆在载体（如玻璃纤维、陶瓷片）上，避免分离步骤。

（4）辅助系统

• 温控系统：水冷夹套或Peltier控温（光热效应可能导致升温）。

• 气体处理：连接气路（如通入N₂除氧、收集产物H₂/CO₂）。

• 在线监测：pH传感器、气相色谱（GC）、紫外-可见分光光度计等。

3. 操作注意事项

• 安全防护：

  • 紫外光需屏蔽，避免直视或皮肤暴露。

  • 部分反应产生易燃气体（如H₂），需防爆设计。

• 催化剂选择：匹配光源波长（如TiO₂需紫外光，改性后可响应可见光）。

• 反应优化：控制光强、反应物浓度、pH值以提高效率。

4. 常见问题与解决

• 催化剂失活：可能因表面污染导致，需定期清洗或再生。

• 光穿透深度不足：搅拌或薄层反应设计可改善。

• 副反应多：优化光源波长或添加选择性助催化剂。

5. 工业 vs 实验室设备