基于原位光谱技术（DRIFTS, Raman）的光催化评价系统联用研究

    本研究聚焦于原位光谱技术中的漫反射傅立叶变换红外光谱（DRIFTS）和拉曼光谱（Raman），对其在光催化评价系统中的联用展开深入探究。通过联用这两种技术，能够从不同角度获取光催化过程中丰富的信息，如分子振动、吸附物种变化等。文中详细阐述了联用系统的搭建、工作原理，深入分析了其在监测光催化剂表面反应、解析反应机理等方面的应用。研究表明，该联用系统在揭示光催化过程中复杂的物理化学变化方面具有显著优势，能够为光催化材料的研发和性能优化提供更全面、准确的指导，在光催化领域展现出广阔的应用前景。

一、引言

      光催化技术作为一种能够利用太阳能驱动化学反应的绿色技术，在能源转化、环境净化等诸多领域具有巨大的应用潜力，如光催化分解水制氢可将太阳能转化为化学能储存，光催化降解有机污染物能有效净化环境 。深入理解光催化反应机理对于开发高效的光催化剂至关重要。然而，光催化过程涉及复杂的物理化学变化，包括光生载流子的产生、迁移、复合以及表面催化反应等 。传统的表征技术难以在光催化反应的实际条件下实时、全面地监测这些过程。原位光谱技术能够在反应进行的同时获取样品的光谱信息，为研究光催化反应机理提供了有力手段。其中，DRIFTS 和 Raman 光谱各有特点，将它们联用有望更深入地揭示光催化过程。

二、原位光谱技术概述

（1）DRIFTS 技术原理与特点

      DRIFTS 是近年来发展起来的一项原位技术。其原理基于当红外光照射到固体粉末样品表面时，一部分光被吸收，一部分光被散射。漫反射光包含了样品表面分子的振动信息，通过傅立叶变换将光信号转化为光谱信号 。该技术的突出优点在于适合固体粉末样品的直接测定以及材料的表面分析。试样处理简单，无需压片，并且不改变样品原有形态，所以较之其他原位红外方法更容易实现在各种温度、压力和气氛下的原位分析 。在光催化研究中，DRIFTS 可用于监测光催化剂表面吸附物种的变化，推断反应路径。例如，在研究 CO₂光催化还原反应时，通过 DRIFTS 可以观察到 CO₂在催化剂表面吸附后形成的不同中间体的红外特征峰，从而了解反应的进行过程 。

（2）Raman 光谱技术原理与特点

      Raman 光谱是一种散射光谱，基于印度科学家 C.V. Raman 发现的拉曼散射效应 。当光照射到物质上时，会发生弹性散射和非弹性散射。弹性散射的散射光与激发光波长相同，即瑞利散射；非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分，统称为拉曼效应 。拉曼散射的产生源于分子振动（和点阵振动）与转动，通过分析拉曼光谱可以获取分子振动、转动等信息，用于分子结构研究 。与红外光谱不同，极性分子和非极性分子都能产生拉曼光谱。Raman 光谱具有峰形尖锐、分辨率高的特点，能够清晰地区分不同的分子振动模式。在光催化领域，Raman 光谱可用于研究光催化剂的晶体结构、晶格应力以及光生载流子与晶格的相互作用等 。比如，通过 Raman 光谱可以检测光催化剂在反应过程中晶格结构的微小变化，以及由于光生载流子注入导致的晶格应力变化 。

三、光催化评价系统联用设计

（1）联用系统整体架构

       光催化评价系统联用 DRIFTS 和 Raman 光谱技术的整体架构包括光催化反应装置、光谱采集系统以及数据处理与分析系统 。光催化反应装置为反应提供合适的环境，可控制反应温度、压力、气氛以及光照条件等 。光谱采集系统分别通过 DRIFTS 和 Raman 光谱仪实时采集反应过程中的光谱信息。数据处理与分析系统则对采集到的光谱数据进行处理、分析，提取有价值的信息 。具体来说，光催化反应装置采用密闭的反应器，配备高质量的光学窗口，以保证光线能够有效照射到催化剂上，同时不影响光谱的采集 。DRIFTS 光谱仪通过漫反射附件与反应器相连，收集催化剂表面的漫反射红外光 。Raman 光谱仪则通过光纤将激发光引入反应器，并收集拉曼散射光 。数据处理与分析系统通过专门的软件对光谱数据进行傅立叶变换、基线校正、峰位识别等处理，进而对光催化反应过程进行解析 。

（2）关键技术要点

     在联用系统中，有几个关键技术要点需要考虑。首先是光谱采集的同步性，要确保 DRIFTS 和 Raman 光谱能够同时采集同一时刻的光催化反应信息，这样才能对反应过程进行全面、协同的分析 。其次，要优化光谱采集的条件，如选择合适的激发光波长、功率以及积分时间等，以获得高质量的光谱信号 。对于 DRIFTS，要根据样品的特性选择合适的红外光源和检测器，确保能够检测到微弱的漫反射信号 。对于 Raman 光谱，要避免激发光对样品造成损伤，同时保证足够的信号强度 。此外，还需要对光谱数据进行有效的校准和归一化处理，以消除仪器误差和样品差异对结果的影响 。例如，在每次实验前，使用标准样品对光谱仪进行校准，确保波长和强度的准确性 。在数据处理过程中，采用归一化方法将不同实验条件下的光谱数据进行统一处理，便于比较和分析 。

四、联用系统在光催化研究中的应用

（1）监测光催化剂表面反应过程

      利用联用系统可以实时监测光催化剂表面的反应过程。在光催化分解水制氢反应中，通过 DRIFTS 可以观察到水分子在催化剂表面的吸附和活化过程，检测到羟基等中间体的红外特征峰 。同时，Raman 光谱可以监测催化剂晶格结构的变化以及光生载流子与水分子相互作用引起的振动模式变化 。随着反应的进行，DRIFTS 光谱中羟基峰的强度变化反映了水分子的吸附和解离速率，而 Raman 光谱中催化剂晶格振动峰的位移和展宽则与光生载流子的注入和晶格应力变化相关 。通过综合分析这两种光谱信息，可以深入了解光催化分解水反应的动力学过程，如光生载流子的迁移路径、水分子的活化位点等 。

（2）解析光催化反应机理

     联用系统在解析光催化反应机理方面具有重要作用。以 CO₂光催化还原反应为例，DRIFTS 能够检测到 CO₂在催化剂表面吸附后形成的多种中间体，如碳酸根、甲酸盐等的红外特征峰，从而确定反应的中间步骤 。Raman 光谱则可以提供关于催化剂表面电子结构和晶格应变的信息，这些因素会影响 CO₂的吸附和活化 。通过对比不同催化剂在反应过程中的 DRIFTS 和 Raman 光谱变化，可以推断出反应的活性位点和反应路径 。例如，研究发现某些催化剂表面的特定晶格缺陷处更容易吸附 CO₂，并且在该位置发生的电子转移过程可以通过 Raman 光谱中的特征峰变化反映出来，结合 DRIFTS 检测到的中间体信息，能够构建出更准确的 CO₂光催化还原反应机理模型 。

（3）评估光催化剂性能

     该联用系统还可用于评估光催化剂的性能。通过监测光催化反应过程中产物的生成速率以及催化剂表面结构和吸附物种的变化，可以全面评估光催化剂的活性、选择性和稳定性 。在光催化降解有机污染物反应中，DRIFTS 可以检测到有机污染物在催化剂表面的吸附和降解过程，Raman 光谱可以监测催化剂在长时间反应后的结构变化 。如果在反应过程中，DRIFTS 光谱中有机污染物的特征峰逐渐减弱，同时 Raman 光谱显示催化剂晶格结构保持稳定，说明该催化剂具有较好的活性和稳定性 。此外，通过对比不同催化剂在相同反应条件下的光谱变化和产物生成情况，可以筛选出性能更优的光催化剂，为光催化剂的设计和优化提供依据 。

五、研究成果与展望

（1）研究成果总结

      本研究成功搭建了基于 DRIFTS 和 Raman 光谱技术的光催化评价联用系统，并通过一系列实验验证了其在光催化研究中的有效性 。在监测光催化剂表面反应过程方面，实现了对反应中间体和催化剂结构变化的实时跟踪 。在解析反应机理方面，为多种光催化反应构建了更准确的机理模型 。在评估光催化剂性能方面，提供了全面、可靠的评估方法 。例如，在研究某新型 TiO₂基光催化剂时，联用系统清晰地揭示了其在光催化分解水反应中的反应过程和机理，发现该催化剂表面的氧空位对光生载流子的分离和水分子的活化起到关键作用，并且通过长期实验评估了其稳定性 。

（2）未来研究方向展望

      未来，该联用技术在光催化领域还有很大的发展空间 。一方面，可以进一步提高联用系统的性能，如提高光谱采集的时间分辨率和空间分辨率，以便更精准地捕捉光催化反应中的快速变化和微观信息 。另一方面，可以拓展联用系统的应用范围，研究更多复杂的光催化反应体系，如光催化 CO₂和 H₂O 共转化制备燃料的反应 。此外，结合其他先进技术，如原位 X 射线光电子能谱（XPS）、扫描探针显微镜（SPM）等，实现对光催化过程更全面、深入的研究 。通过多技术联用，可以从不同角度获取光催化反应的信息，构建更完整的光催化反应理论体系，为光催化技术的实际应用提供更坚实的基础 。

六、结论

      本研究基于原位光谱技术中的 DRIFTS 和 Raman 光谱，成功构建了光催化评价联用系统。该联用系统充分发挥了 DRIFTS 和 Raman 光谱各自的优势，能够在光催化反应的实际条件下，实时、全面地监测光催化剂表面的反应过程，深入解析光催化反应机理，并准确评估光催化剂的性能 。通过一系列实验研究，验证了该联用系统在光催化研究中的有效性和重要性 。随着技术的不断发展和完善，基于 DRIFTS 和 Raman 光谱的光催化评价联用系统有望在光催化材料的研发、新型光催化反应的探索以及光催化技术的实际应用等方面发挥更大的作用，为解决能源和环境问题提供有力的技术支持 。

产品展示

      近年来半导体行业的快速发展，超高纯316L不锈钢，符合SEMI F20标准，通过真空感应熔炼+真空自耗重熔（VIM+VAR），并使用特殊的工艺处理，对材料进行大程度的提纯，进一步减少了材料中的的非金属夹杂物和气体成分。EP管（316L，VIM+VAR）是表面经过电解抛光处理，以提高产品内部的平滑性，并在金属表面形成富铬层以提高耐腐蚀性，电解抛光后的产品做钝化处理以去除游离铁离子。EP抛光产品经 SEM、 ESCA/XPS、AES分析，产品质量完满足半导体协会 SEMI F20 标准。

      基于EP抛光（316L，VIM+VAR）技术的发展，鑫视科shinsco采用国内优秀企业生产的EP管（316L，VIM+VAR）和EP自动阀门，替换了光催化活性评价系统的原有玻璃管路和阀门，并实现了PLC全面控制整套系统，实现了SSC-PCAE光催化活性评价系统的全自动化运行。

       SSC-PCAE光催化活性评价系统(Photocatalytic activity evaluation system)沿用半导体行业的真空技术，将玻璃管路和阀门替换为EP管和EP自动阀，实现了整个系统的全自动控制实验过程，全自动在线采样分析，实现了实验中真正的全自动运行。SSC-PCAE光催化活性评价系统主要应用于光解水、全解水、电催化、光催化CO2还原、光催化固氮、光电催化气体产物分析、耐压釜式反应、催化反应的微量气体收集等。

产品优势：

1)封闭反应的产物气体收集、采样、在线分析的一体化系统；

2)内置气体磁力增压泵，形成高强压差，实现气体快速混匀；

3)全系统耐压-14.6psi ~150psi，实现了从真空到10atm的压力覆盖；

4)应用半导体材料（TiO2、InO、C3N4、CdS等）催化剂的活性评价；

5)催化剂产氢、产氧、光解水的性能分析；

6)催化剂二氧化碳还原的性能分析；

7)系统可配和玻璃、石英、不锈钢、PEEK、PTFE等材料制备的反应器使用

8)可满足光电反应、气固反应、膜催化、多相反应等特殊实验要求；

9)系统管阀件全部采用EP（316L，VIM+VAR）管和EP阀，对气体无吸附；

10)系统即装即用，可兼容任意厂家气相色谱仪，无需额外增加进样阀门；

11)GC测试范围广，氢、氧、CO2、甲烷、CO、甲醛、C1-C5等微量气体；