本研究聚焦于原位光譜技術(shù)中的漫反射傅立葉變換紅外光譜（DRIFTS）和拉曼光譜（Raman），對其在光催化評價(jià)系統(tǒng)中的聯(lián)用展開深入探究。通過聯(lián)用這兩種技術(shù)，能夠從不同角度獲取光催化過程中豐富的信息，如分子振動(dòng)、吸附物種變化等。文中詳細(xì)闡述了聯(lián)用系統(tǒng)的搭建、工作原理，深入分析了其在監(jiān)測光催化劑表面反應(yīng)、解析反應(yīng)機(jī)理等方面的應(yīng)用。研究表明，該聯(lián)用系統(tǒng)在揭示光催化過程中復(fù)雜的物理化學(xué)變化方面具有顯著優(yōu)勢，能夠?yàn)楣獯呋牧系难邪l(fā)和性能優(yōu)化提供更全面、準(zhǔn)確的指導(dǎo)，在光催化領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

一、引言

      光催化技術(shù)作為一種能夠利用太陽能驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的綠色技術(shù)，在能源轉(zhuǎn)化、環(huán)境凈化等諸多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，如光催化分解水制氫可將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存，光催化降解有機(jī)污染物能有效凈化環(huán)境 。深入理解光催化反應(yīng)機(jī)理對于開發(fā)高效的光催化劑至關(guān)重要。然而，光催化過程涉及復(fù)雜的物理化學(xué)變化，包括光生載流子的產(chǎn)生、遷移、復(fù)合以及表面催化反應(yīng)等 。傳統(tǒng)的表征技術(shù)難以在光催化反應(yīng)的實(shí)際條件下實(shí)時(shí)、全面地監(jiān)測這些過程。原位光譜技術(shù)能夠在反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)獲取樣品的光譜信息，為研究光催化反應(yīng)機(jī)理提供了有力手段。其中，DRIFTS 和 Raman 光譜各有特點(diǎn)，將它們聯(lián)用有望更深入地揭示光催化過程。

二、原位光譜技術(shù)概述

（1）DRIFTS 技術(shù)原理與特點(diǎn)

      DRIFTS 是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)原位技術(shù)。其原理基于當(dāng)紅外光照射到固體粉末樣品表面時(shí)，一部分光被吸收，一部分光被散射。漫反射光包含了樣品表面分子的振動(dòng)信息，通過傅立葉變換將光信號轉(zhuǎn)化為光譜信號 。該技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)在于適合固體粉末樣品的直接測定以及材料的表面分析。試樣處理簡單，無需壓片，并且不改變樣品原有形態(tài)，所以較之其他原位紅外方法更容易實(shí)現(xiàn)在各種溫度、壓力和氣氛下的原位分析 。在光催化研究中，DRIFTS 可用于監(jiān)測光催化劑表面吸附物種的變化，推斷反應(yīng)路徑。例如，在研究 CO?光催化還原反應(yīng)時(shí)，通過 DRIFTS 可以觀察到 CO?在催化劑表面吸附后形成的不同中間體的紅外特征峰，從而了解反應(yīng)的進(jìn)行過程 。

（2）Raman 光譜技術(shù)原理與特點(diǎn)

      Raman 光譜是一種散射光譜，基于印度科學(xué)家 C.V. Raman 發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng) 。當(dāng)光照射到物質(zhì)上時(shí)，會(huì)發(fā)生彈性散射和非彈性散射。彈性散射的散射光與激發(fā)光波長相同，即瑞利散射；非彈性散射的散射光有比激發(fā)光波長長的和短的成分，統(tǒng)稱為拉曼效應(yīng) 。拉曼散射的產(chǎn)生源于分子振動(dòng)（和點(diǎn)陣振動(dòng)）與轉(zhuǎn)動(dòng)，通過分析拉曼光譜可以獲取分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等信息，用于分子結(jié)構(gòu)研究 。與紅外光譜不同，極性分子和非極性分子都能產(chǎn)生拉曼光譜。Raman 光譜具有峰形尖銳、分辨率高的特點(diǎn)，能夠清晰地區(qū)分不同的分子振動(dòng)模式。在光催化領(lǐng)域，Raman 光譜可用于研究光催化劑的晶體結(jié)構(gòu)、晶格應(yīng)力以及光生載流子與晶格的相互作用等 。比如，通過 Raman 光譜可以檢測光催化劑在反應(yīng)過程中晶格結(jié)構(gòu)的微小變化，以及由于光生載流子注入導(dǎo)致的晶格應(yīng)力變化 。

三、光催化評價(jià)系統(tǒng)聯(lián)用設(shè)計(jì)

（1）聯(lián)用系統(tǒng)整體架構(gòu)

       光催化評價(jià)系統(tǒng)聯(lián)用 DRIFTS 和 Raman 光譜技術(shù)的整體架構(gòu)包括光催化反應(yīng)裝置、光譜采集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng) 。光催化反應(yīng)裝置為反應(yīng)提供合適的環(huán)境，可控制反應(yīng)溫度、壓力、氣氛以及光照條件等 。光譜采集系統(tǒng)分別通過 DRIFTS 和 Raman 光譜儀實(shí)時(shí)采集反應(yīng)過程中的光譜信息。數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)則對采集到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，提取有價(jià)值的信息 。具體來說，光催化反應(yīng)裝置采用密閉的反應(yīng)器，配備高質(zhì)量的光學(xué)窗口，以保證光線能夠有效照射到催化劑上，同時(shí)不影響光譜的采集 。DRIFTS 光譜儀通過漫反射附件與反應(yīng)器相連，收集催化劑表面的漫反射紅外光 。Raman 光譜儀則通過光纖將激發(fā)光引入反應(yīng)器，并收集拉曼散射光 。數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)通過專門的軟件對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換、基線校正、峰位識別等處理，進(jìn)而對光催化反應(yīng)過程進(jìn)行解析 。

（2）關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

     在聯(lián)用系統(tǒng)中，有幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)需要考慮。首先是光譜采集的同步性，要確保 DRIFTS 和 Raman 光譜能夠同時(shí)采集同一時(shí)刻的光催化反應(yīng)信息，這樣才能對反應(yīng)過程進(jìn)行全面、協(xié)同的分析 。其次，要優(yōu)化光譜采集的條件，如選擇合適的激發(fā)光波長、功率以及積分時(shí)間等，以獲得高質(zhì)量的光譜信號 。對于 DRIFTS，要根據(jù)樣品的特性選擇合適的紅外光源和檢測器，確保能夠檢測到微弱的漫反射信號 。對于 Raman 光譜，要避免激發(fā)光對樣品造成損傷，同時(shí)保證足夠的信號強(qiáng)度 。此外，還需要對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的校準(zhǔn)和歸一化處理，以消除儀器誤差和樣品差異對結(jié)果的影響 。例如，在每次實(shí)驗(yàn)前，使用標(biāo)準(zhǔn)樣品對光譜儀進(jìn)行校準(zhǔn)，確保波長和強(qiáng)度的準(zhǔn)確性 。在數(shù)據(jù)處理過程中，采用歸一化方法將不同實(shí)驗(yàn)條件下的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，便于比較和分析 。

四、聯(lián)用系統(tǒng)在光催化研究中的應(yīng)用

（1）監(jiān)測光催化劑表面反應(yīng)過程

      利用聯(lián)用系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測光催化劑表面的反應(yīng)過程。在光催化分解水制氫反應(yīng)中，通過 DRIFTS 可以觀察到水分子在催化劑表面的吸附和活化過程，檢測到羥基等中間體的紅外特征峰 。同時(shí)，Raman 光譜可以監(jiān)測催化劑晶格結(jié)構(gòu)的變化以及光生載流子與水分子相互作用引起的振動(dòng)模式變化 。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，DRIFTS 光譜中羥基峰的強(qiáng)度變化反映了水分子的吸附和解離速率，而 Raman 光譜中催化劑晶格振動(dòng)峰的位移和展寬則與光生載流子的注入和晶格應(yīng)力變化相關(guān) 。通過綜合分析這兩種光譜信息，可以深入了解光催化分解水反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過程，如光生載流子的遷移路徑、水分子的活化位點(diǎn)等 。

（2）解析光催化反應(yīng)機(jī)理

     聯(lián)用系統(tǒng)在解析光催化反應(yīng)機(jī)理方面具有重要作用。以 CO?光催化還原反應(yīng)為例，DRIFTS 能夠檢測到 CO?在催化劑表面吸附后形成的多種中間體，如碳酸根、甲酸鹽等的紅外特征峰，從而確定反應(yīng)的中間步驟 。Raman 光譜則可以提供關(guān)于催化劑表面電子結(jié)構(gòu)和晶格應(yīng)變的信息，這些因素會(huì)影響 CO?的吸附和活化 。通過對比不同催化劑在反應(yīng)過程中的 DRIFTS 和 Raman 光譜變化，可以推斷出反應(yīng)的活性位點(diǎn)和反應(yīng)路徑 。例如，研究發(fā)現(xiàn)某些催化劑表面的特定晶格缺陷處更容易吸附 CO?，并且在該位置發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移過程可以通過 Raman 光譜中的特征峰變化反映出來，結(jié)合 DRIFTS 檢測到的中間體信息，能夠構(gòu)建出更準(zhǔn)確的 CO?光催化還原反應(yīng)機(jī)理模型 。

（3）評估光催化劑性能

     該聯(lián)用系統(tǒng)還可用于評估光催化劑的性能。通過監(jiān)測光催化反應(yīng)過程中產(chǎn)物的生成速率以及催化劑表面結(jié)構(gòu)和吸附物種的變化，可以全面評估光催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性 。在光催化降解有機(jī)污染物反應(yīng)中，DRIFTS 可以檢測到有機(jī)污染物在催化劑表面的吸附和降解過程，Raman 光譜可以監(jiān)測催化劑在長時(shí)間反應(yīng)后的結(jié)構(gòu)變化 。如果在反應(yīng)過程中，DRIFTS 光譜中有機(jī)污染物的特征峰逐漸減弱，同時(shí) Raman 光譜顯示催化劑晶格結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，說明該催化劑具有較好的活性和穩(wěn)定性 。此外，通過對比不同催化劑在相同反應(yīng)條件下的光譜變化和產(chǎn)物生成情況，可以篩選出性能更優(yōu)的光催化劑，為光催化劑的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù) 。

五、研究成果與展望

（1）研究成果總結(jié)

      本研究成功搭建了基于 DRIFTS 和 Raman 光譜技術(shù)的光催化評價(jià)聯(lián)用系統(tǒng)，并通過一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在光催化研究中的有效性 。在監(jiān)測光催化劑表面反應(yīng)過程方面，實(shí)現(xiàn)了對反應(yīng)中間體和催化劑結(jié)構(gòu)變化的實(shí)時(shí)跟蹤 。在解析反應(yīng)機(jī)理方面，為多種光催化反應(yīng)構(gòu)建了更準(zhǔn)確的機(jī)理模型 。在評估光催化劑性能方面，提供了全面、可靠的評估方法 。例如，在研究某新型 TiO?基光催化劑時(shí)，聯(lián)用系統(tǒng)清晰地揭示了其在光催化分解水反應(yīng)中的反應(yīng)過程和機(jī)理，發(fā)現(xiàn)該催化劑表面的氧空位對光生載流子的分離和水分子的活化起到關(guān)鍵作用，并且通過長期實(shí)驗(yàn)評估了其穩(wěn)定性 。

（2）未來研究方向展望

      未來，該聯(lián)用技術(shù)在光催化領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間 。一方面，可以進(jìn)一步提高聯(lián)用系統(tǒng)的性能，如提高光譜采集的時(shí)間分辨率和空間分辨率，以便更精準(zhǔn)地捕捉光催化反應(yīng)中的快速變化和微觀信息 。另一方面，可以拓展聯(lián)用系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，研究更多復(fù)雜的光催化反應(yīng)體系，如光催化 CO?和 H?O 共轉(zhuǎn)化制備燃料的反應(yīng) 。此外，結(jié)合其他先進(jìn)技術(shù)，如原位 X 射線光電子能譜（XPS）、掃描探針顯微鏡（SPM）等，實(shí)現(xiàn)對光催化過程更全面、深入的研究 。通過多技術(shù)聯(lián)用，可以從不同角度獲取光催化反應(yīng)的信息，構(gòu)建更完整的光催化反應(yīng)理論體系，為光催化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 。

六、結(jié)論

      本研究基于原位光譜技術(shù)中的 DRIFTS 和 Raman 光譜，成功構(gòu)建了光催化評價(jià)聯(lián)用系統(tǒng)。該聯(lián)用系統(tǒng)充分發(fā)揮了 DRIFTS 和 Raman 光譜各自的優(yōu)勢，能夠在光催化反應(yīng)的實(shí)際條件下，實(shí)時(shí)、全面地監(jiān)測光催化劑表面的反應(yīng)過程，深入解析光催化反應(yīng)機(jī)理，并準(zhǔn)確評估光催化劑的性能 。通過一系列實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該聯(lián)用系統(tǒng)在光催化研究中的有效性和重要性 。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，基于 DRIFTS 和 Raman 光譜的光催化評價(jià)聯(lián)用系統(tǒng)有望在光催化材料的研發(fā)、新型光催化反應(yīng)的探索以及光催化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用等方面發(fā)揮更大的作用，為解決能源和環(huán)境問題提供有力的技術(shù)支持 。

產(chǎn)品展示

      近年來半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，超高純316L不銹鋼，符合SEMI F20標(biāo)準(zhǔn)，通過真空感應(yīng)熔煉+真空自耗重熔（VIM+VAR），并使用特殊的工藝處理，對材料進(jìn)行大程度的提純，進(jìn)一步減少了材料中的的非金屬夾雜物和氣體成分。EP管（316L，VIM+VAR）是表面經(jīng)過電解拋光處理，以提高產(chǎn)品內(nèi)部的平滑性，并在金屬表面形成富鉻層以提高耐腐蝕性，電解拋光后的產(chǎn)品做鈍化處理以去除游離鐵離子。EP拋光產(chǎn)品經(jīng) SEM、 ESCA/XPS、AES分析，產(chǎn)品質(zhì)量完滿足半導(dǎo)體協(xié)會(huì) SEMI F20 標(biāo)準(zhǔn)。

      基于EP拋光（316L，VIM+VAR）技術(shù)的發(fā)展，鑫視科shinsco采用國內(nèi)優(yōu)秀企業(yè)生產(chǎn)的EP管（316L，VIM+VAR）和EP自動(dòng)閥門，替換了光催化活性評價(jià)系統(tǒng)的原有玻璃管路和閥門，并實(shí)現(xiàn)了PLC全面控制整套系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了SSC-PCAE光催化活性評價(jià)系統(tǒng)的全自動(dòng)化運(yùn)行。

       SSC-PCAE光催化活性評價(jià)系統(tǒng)(Photocatalytic activity evaluation system)沿用半導(dǎo)體行業(yè)的真空技術(shù)，將玻璃管路和閥門替換為EP管和EP自動(dòng)閥，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的全自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)過程，全自動(dòng)在線采樣分析，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中真正的全自動(dòng)運(yùn)行。SSC-PCAE光催化活性評價(jià)系統(tǒng)主要應(yīng)用于光解水、全解水、電催化、光催化CO2還原、光催化固氮、光電催化氣體產(chǎn)物分析、耐壓釜式反應(yīng)、催化反應(yīng)的微量氣體收集等。

產(chǎn)品優(yōu)勢：

1)封閉反應(yīng)的產(chǎn)物氣體收集、采樣、在線分析的一體化系統(tǒng)；

2)內(nèi)置氣體磁力增壓泵，形成高強(qiáng)壓差，實(shí)現(xiàn)氣體快速混勻；

3)全系統(tǒng)耐壓-14.6psi ~150psi，實(shí)現(xiàn)了從真空到10atm的壓力覆蓋；

4)應(yīng)用半導(dǎo)體材料（TiO2、InO、C3N4、CdS等）催化劑的活性評價(jià)；

5)催化劑產(chǎn)氫、產(chǎn)氧、光解水的性能分析；

6)催化劑二氧化碳還原的性能分析；

7)系統(tǒng)可配和玻璃、石英、不銹鋼、PEEK、PTFE等材料制備的反應(yīng)器使用

8)可滿足光電反應(yīng)、氣固反應(yīng)、膜催化、多相反應(yīng)等特殊實(shí)驗(yàn)要求；

9)系統(tǒng)管閥件全部采用EP（316L，VIM+VAR）管和EP閥，對氣體無吸附；

10)系統(tǒng)即裝即用，可兼容任意廠家氣相色譜儀，無需額外增加進(jìn)樣閥門；

11)GC測試范圍廣，氫、氧、CO2、甲烷、CO、甲醛、C1-C5等微量氣體；