在當代化學合成領(lǐng)域，綠色化、高效化與精準化已成為技術(shù)發(fā)展的核心訴求。傳統(tǒng)批次反應(yīng)體系在光催化合成中常面臨傳質(zhì)效率低、光子利用率不足、反應(yīng)條件難控等瓶頸，而連續(xù)流技術(shù)憑借其高效傳質(zhì)、反應(yīng)參數(shù)精準調(diào)控、安全性高等優(yōu)勢，為解決這些問題提供了全新思路。在此背景下，光電流動化學應(yīng)運而生，它將光催化的清潔轉(zhuǎn)化特性與連續(xù)流技術(shù)的過程強化能力深度融合，構(gòu)建出一種合成新范式，為有機合成、能源轉(zhuǎn)化、環(huán)境治理等領(lǐng)域帶來了革命性突破。

一、光電流動化學的核心機制：雙技術(shù)協(xié)同的底層邏輯

      光電流動化學的核心魅力在于光催化與連續(xù)流技術(shù)的 “1+1>2" 協(xié)同效應(yīng)，其底層機制可從三個維度解析：

（一）光催化的基礎(chǔ)作用：清潔能量驅(qū)動的電子轉(zhuǎn)移

光催化技術(shù)以半導(dǎo)體材料（如 TiO?、g-C?N?、金屬有機框架 MOFs 等）為核心，通過吸收可見光或紫外光，使半導(dǎo)體價帶電子被激發(fā)至導(dǎo)帶，形成 “光生電子 - 空穴對"。這些活性物種可直接參與氧化還原反應(yīng)，或與反應(yīng)體系中的犧牲劑、輔酶結(jié)合，實現(xiàn)目標底物的選擇性轉(zhuǎn)化 —— 例如，在有機合成中，光生電子可還原硝基化合物生成芳香胺，空穴則能氧化醇類生成醛酮，且整個過程無需高溫高壓，僅以光能為驅(qū)動力，從源頭減少了傳統(tǒng)合成中化學試劑的消耗與污染物排放。

（二）連續(xù)流技術(shù)的過程強化：打破反應(yīng)動力學限制

      連續(xù)流技術(shù)通過微通道反應(yīng)器（內(nèi)徑通常為幾十至幾百微米）構(gòu)建 “微尺度反應(yīng)環(huán)境"，從根本上優(yōu)化了光催化反應(yīng)的傳質(zhì)與傳熱效率：

1. 傳質(zhì)強化：微通道內(nèi)的層流或湍流狀態(tài)使反應(yīng)底物、催化劑與光的接觸面積大幅增加（相比批次反應(yīng)，接觸面積可提升 1-2 個數(shù)量級），避免了批次反應(yīng)中 “局部濃度過高" 或 “催化劑團聚" 導(dǎo)致的反應(yīng)不均問題；

2. 光子利用率提升：微通道的短光程（通常小于 1mm）可有效減少光的散射與衰減，使催化劑顆粒能均勻接收光照，光生載流子的生成效率提升 30%-50%；

3. 反應(yīng)精準調(diào)控：連續(xù)流系統(tǒng)可通過泵體精準控制流速（停留時間可精確至秒級），結(jié)合在線監(jiān)測設(shè)備（如 UV-Vis、HPLC）實時調(diào)整溫度、光照強度等參數(shù)，實現(xiàn)反應(yīng)過程的 “可視化" 與 “可控化"，大幅降低副反應(yīng)發(fā)生概率。

（三）協(xié)同機制：從 “被動反應(yīng)" 到 “主動調(diào)控" 的跨越

      在光電流動系統(tǒng)中，光催化的 “能量輸入" 與連續(xù)流的 “過程調(diào)控" 形成閉環(huán)協(xié)同：一方面，連續(xù)流的微環(huán)境為光催化提供了 “高效反應(yīng)平臺"，解決了傳統(tǒng)光催化的傳質(zhì)瓶頸；另一方面，光催化產(chǎn)生的活性物種可通過連續(xù)流的精準控溫、控時實現(xiàn) “定向轉(zhuǎn)化"—— 例如，在光催化 CO?還原反應(yīng)中，通過連續(xù)流調(diào)控反應(yīng)液流速（停留時間 10-30s）與光照波長（420-550nm 可見光），可使 CO 選擇性從批次反應(yīng)的 60% 提升至 90% 以上，同時抑制 H?副產(chǎn)物生成。這種協(xié)同效應(yīng)使反應(yīng)從 “被動等待反應(yīng)發(fā)生" 轉(zhuǎn)變?yōu)?“主動調(diào)控反應(yīng)路徑"，成為光電流動化學的核心競爭力。

二、光電流動化學的技術(shù)優(yōu)勢：突破傳統(tǒng)合成的四大瓶頸

      相比傳統(tǒng)批次光催化反應(yīng)與純連續(xù)流反應(yīng)，光電流動化學在效率、選擇性、安全性與綠色性上展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，可針對性解決四大行業(yè)痛點：

（一）效率瓶頸：從 “小時級" 到 “分鐘級" 的反應(yīng)提速

      傳統(tǒng)批次光催化反應(yīng)中，由于傳質(zhì)效率低、光子利用率不足，反應(yīng)時間常需數(shù)小時甚至數(shù)十小時（例如，批次法光催化合成苯甲醛需 6-8 小時）。而光電流動系統(tǒng)通過微通道強化傳質(zhì)與光照效率，可將反應(yīng)時間縮短至分鐘級 —— 研究表明，在微通道反應(yīng)器中，光催化氧化甲苯生成苯甲醛的反應(yīng)時間僅需 15-20 分鐘，且轉(zhuǎn)化率可達 92%，遠高于批次反應(yīng)的 65% 轉(zhuǎn)化率與 8 小時反應(yīng)時間。這種效率提升不僅降低了生產(chǎn)周期，還減少了能源消耗，符合 “過程強化" 的化工發(fā)展趨勢。

（二）選擇性瓶頸：精準調(diào)控實現(xiàn) “單一產(chǎn)物" 合成

      有機合成中，副反應(yīng)是影響產(chǎn)物純度的關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)批次反應(yīng)中，反應(yīng)條件（如溫度、濃度）的微小波動就可能導(dǎo)致副產(chǎn)物生成，而光電流動系統(tǒng)通過 “三重調(diào)控" 實現(xiàn)高選擇性：

1. 空間調(diào)控：微通道的均一反應(yīng)環(huán)境避免局部過熱或濃度不均，減少異構(gòu)化、聚合等副反應(yīng)；

2. 時間調(diào)控：精準控制停留時間，使反應(yīng)在 “最佳轉(zhuǎn)化點" 終止（例如，光催化硝基苯還原中，停留時間控制在 8s 可避免過度還原生成聯(lián)苯胺）；

3. 能量調(diào)控：通過濾光片選擇特定波長光照，僅激發(fā)目標反應(yīng)所需的活性物種（如選擇 450nm 光激發(fā) Ir 基光敏劑，避免激發(fā)底物導(dǎo)致的副反應(yīng)）。目前，光電流動系統(tǒng)已實現(xiàn)多種高選擇性合成，如不對稱光催化環(huán)加成反應(yīng)的對映體過量值（ee）可達 95% 以上，遠超批次反應(yīng)的 80% ee 值。

（三）安全性瓶頸：微尺度設(shè)計降低高危反應(yīng)風險

      在涉及光催化的自由基反應(yīng)、高壓反應(yīng)或有毒底物反應(yīng)中，批次反應(yīng)的 “大體積反應(yīng)體系" 存在爆炸、泄漏等安全隱患（例如，光催化氯代烴脫氯反應(yīng)中，批次體系可能因局部自由基濃度過高引發(fā)爆聚）。而光電流動系統(tǒng)的 “微體積特性"（單通道反應(yīng)體積通常小于 1mL）從根本上降低了風險：即使發(fā)生局部反應(yīng)失控，微通道的快速傳熱能力可迅速擴散熱量，避免危險擴大；同時，封閉的連續(xù)流體系可有效隔離有毒底物與操作人員，減少接觸風險。目前，光電流動技術(shù)已成功應(yīng)用于光催化疊氮化合物環(huán)加成、光氧化還原引發(fā)的自由基聚合等高危反應(yīng)，實現(xiàn)了 “安全化生產(chǎn)"。

（四）綠色性瓶頸：減少試劑消耗與廢物排放

      傳統(tǒng)化學合成常依賴大量有機溶劑、犧牲劑（如醇類、胺類），導(dǎo)致 “原子經(jīng)濟性" 低、廢物排放高。光電流動化學通過兩大路徑實現(xiàn)綠色化：

1. 溶劑優(yōu)化：微通道的高效傳質(zhì)使反應(yīng)可在水相或低毒溶劑（如乙醇、乙腈）中進行，部分反應(yīng)甚至可實現(xiàn) “無溶劑合成"（如光催化烯烴異構(gòu)化反應(yīng)）；

2. 催化劑循環(huán)：通過微通道表面修飾（如將催化劑固定在通道內(nèi)壁）或在線分離裝置（如超濾膜），實現(xiàn)催化劑的循環(huán)利用 —— 例如，將 g-C?N?催化劑固定在微通道內(nèi)壁后，可連續(xù)使用 30 批次而活性無明顯下降，避免了批次反應(yīng)中催化劑分離的繁瑣步驟與損耗；

3. 能源清潔化：以太陽能為主要驅(qū)動力，替代傳統(tǒng)加熱所需的化石能源，減少碳排放。據(jù)測算，相比傳統(tǒng)批次合成，光電流動系統(tǒng)的 “環(huán)境影響因子"（E-factor）可降低 40%-60%，符合綠色化學的發(fā)展要求。

三、光電流動化學的應(yīng)用場景：從實驗室走向工業(yè)化的多元探索

      目前，光電流動化學已在有機合成、能源轉(zhuǎn)化、環(huán)境治理三大領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，部分技術(shù)已進入中試或工業(yè)化階段，展現(xiàn)出廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。

（一）有機合成領(lǐng)域：精細化學品與藥物中間體的高效制備

      有機合成是光電流動化學成熟的應(yīng)用場景，尤其適用于高附加值精細化學品與藥物中間體的合成，典型案例包括：

1. 光催化氧化反應(yīng)：在微通道反應(yīng)器中，以 O?為氧化劑、TiO?為催化劑，光照下可將環(huán)己烷氧化為環(huán)己酮（轉(zhuǎn)化率 85%，選擇性 90%），相比傳統(tǒng)批次反應(yīng)（轉(zhuǎn)化率 30%，選擇性 70%）大幅提升，且無需使用有毒的 CrO?氧化劑；

2. 光催化還原反應(yīng)：用于硝基化合物還原制備芳香胺（如對硝基苯胺還原為對苯二胺），連續(xù)流系統(tǒng)可實現(xiàn) “進料 - 反應(yīng) - 分離" 一體化，產(chǎn)物純度達 99.5%，滿足醫(yī)藥中間體的高純度要求；

3. 光催化環(huán)加成反應(yīng)：在藥物合成中，光電流動系統(tǒng)可高效實現(xiàn) [2+2] 環(huán)加成反應(yīng)（如合成 β- 內(nèi)酰胺類抗生素前體），反應(yīng)時間從批次反應(yīng)的 4 小時縮短至 20 分鐘，且對映體選擇性達 94%，已被某制藥企業(yè)用于中試生產(chǎn)。

      此外，光電流動化學還可用于 “光致變色材料"“熒光探針" 等功能分子的合成，其高效、精準的特性為精細化工領(lǐng)域提供了全新的生產(chǎn)模式。

（二）能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域：CO?還原與制氫的 “綠色路徑"

      在 “雙碳" 目標背景下，光電流動化學為能源轉(zhuǎn)化提供了清潔解決方案，重點應(yīng)用包括：

1. 光催化 CO?還原：通過微通道反應(yīng)器構(gòu)建 “氣 - 液 - 固三相界面"（CO?氣體、催化劑懸浮液、光催化劑），提升 CO?的溶解度與傳質(zhì)效率。例如，以 Cu 單原子修飾的 MOFs 為催化劑，在連續(xù)流系統(tǒng)中可將 CO?還原為 CH?，選擇性達 85%，且產(chǎn)率是批次反應(yīng)的 3 倍；

2. 光催化制氫：利用連續(xù)流系統(tǒng)實現(xiàn) “光催化水分解"，通過調(diào)控流速與光照強度，使光生電子 - 空穴對高效分離，制氫速率可達 120μmol?g?1?h?1，同時可通過在線氫氣分離裝置實現(xiàn) “即產(chǎn)即分"，避免氫氣與氧氣混合的安全風險。目前，部分科研團隊已開發(fā)出 “太陽能驅(qū)動的光電流動制氫裝置"，為分布式氫能供應(yīng)提供了可能。

（三）環(huán)境治理領(lǐng)域：污染物的快速降解與資源化

      光電流動化學在廢水處理、廢氣凈化等環(huán)境治理領(lǐng)域展現(xiàn)出高效性與連續(xù)性優(yōu)勢：

1. 廢水處理：針對含染料、抗生素、酚類等難降解有機廢水，光電流動系統(tǒng)可通過光催化產(chǎn)生?OH、?O??等活性自由基，實現(xiàn)污染物的快速降解。例如，處理含羅丹明 B 的廢水時，連續(xù)流系統(tǒng)的降解效率達 98%，且處理量可達 10L/h，相比批次反應(yīng)（處理量 0.5L/h）大幅提升，已在某印染廠的廢水處理中進行試點應(yīng)用；

2. 廢氣凈化：對于 VOCs（揮發(fā)性有機化合物）、NO?等廢氣，光電流動系統(tǒng)可通過 “氣 - 固" 相反應(yīng)實現(xiàn)凈化 —— 例如，將 TiO?催化劑涂覆在微通道內(nèi)壁，通入含甲苯的廢氣并光照，甲苯降解率達 92%，且可連續(xù)運行 1000 小時以上，無催化劑失活現(xiàn)象。

四、挑戰(zhàn)與未來方向：從技術(shù)突破到產(chǎn)業(yè)化落地的關(guān)鍵路徑

      盡管光電流動化學已取得顯著進展，但在規(guī)模化應(yīng)用、催化劑設(shè)計、系統(tǒng)集成等方面仍面臨挑戰(zhàn)，未來需通過技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)突破：

（一）當前挑戰(zhàn)：三大核心瓶頸制約產(chǎn)業(yè)化

1. 規(guī)模化難題：微通道反應(yīng)器的 “單通道處理量小"（通常為 mL 級 /h），若需實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)（m3 級 /d），需構(gòu)建 “多通道并行系統(tǒng)"，但通道間的流量分配不均、光照均勻性差等問題可能導(dǎo)致反應(yīng)效率下降，如何實現(xiàn) “放大效應(yīng)" 是當前最大挑戰(zhàn)；

2. 催化劑局限：現(xiàn)有光催化劑多為粉末狀，在連續(xù)流系統(tǒng)中易團聚或堵塞微通道；同時，催化劑的光響應(yīng)范圍多集中在紫外光區(qū)（占太陽能的 4%），可見光利用率低，限制了太陽能的開發(fā)；

3. 系統(tǒng)成本高：微通道反應(yīng)器的制造依賴精密加工技術(shù)（如光刻、激光雕刻），成本較高；同時，在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)的集成也增加了設(shè)備投入，制約了中小企業(yè)的應(yīng)用。

（二）未來方向：四大技術(shù)創(chuàng)新推動發(fā)展

1. 反應(yīng)器設(shè)計創(chuàng)新：開發(fā) “模塊化微通道反應(yīng)器"，通過標準化通道單元的組合實現(xiàn)靈活擴容；同時，采用 3D 打印技術(shù)制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微通道（如魚骨形、螺旋形），優(yōu)化流場與光照分布，解決放大效應(yīng)問題；

2. 催化劑技術(shù)突破：設(shè)計 “固定化光催化劑"（如將催化劑負載在石墨烯、金屬有機框架上），避免團聚與堵塞；同時，通過摻雜、異質(zhì)結(jié)構(gòu)建等方法拓展催化劑的光響應(yīng)范圍（如開發(fā)全光譜響應(yīng)的催化劑），提升太陽能利用率；

3. 系統(tǒng)集成優(yōu)化：將 “反應(yīng) - 分離 - 回收" 功能集成到光電流動系統(tǒng)中（如在微通道后串聯(lián)膜分離單元，實現(xiàn)催化劑與產(chǎn)物的在線分離），減少流程步驟；同時，開發(fā)低成本的微通道制造技術(shù)（如塑料微通道、陶瓷微通道），降低設(shè)備成本；

4. 智能化升級：結(jié)合人工智能（AI）與數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建 “光電流動反應(yīng)數(shù)字模型"，通過 AI 算法優(yōu)化反應(yīng)參數(shù)（如流速、溫度、光照強度），實現(xiàn)反應(yīng)過程的 “自主調(diào)控"；同時，利用在線傳感器實時監(jiān)測反應(yīng)狀態(tài)，預(yù)測催化劑壽命，實現(xiàn)系統(tǒng)的 “智能運維"。

五、總結(jié)

      光電流動化學通過融合光催化的清潔特性與連續(xù)流的高效優(yōu)勢，構(gòu)建了一種 “綠色、高效、精準" 的合成新范式，為化學合成、能源轉(zhuǎn)化、環(huán)境治理等領(lǐng)域提供了解決方案。盡管面臨規(guī)模化、催化劑等挑戰(zhàn)，但隨著反應(yīng)器設(shè)計、催化劑技術(shù)與智能化系統(tǒng)的不斷創(chuàng)新，光電流動化學有望在未來 5-10 年內(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，成為推動化學工業(yè)向 “綠色化、智能化" 轉(zhuǎn)型的核心技術(shù)之一。從實驗室的微通道反應(yīng)器到工廠的規(guī)模化生產(chǎn)線，光電流動化學正以 “微小通道" 承載 “巨大變革"，開啟化學合成的全新未來。

產(chǎn)品展示

      SSC-PEFC20光電流動反應(yīng)池實現(xiàn)雙室二、三、四電極的電化學實驗，可以實現(xiàn)雙光路照射，用于半導(dǎo)體材料的氣-固-液三相界面光電催化或電催化的性能評價，可應(yīng)用在流動和循環(huán)光電催化N2、CO2還原反應(yīng)。反應(yīng)池的優(yōu)勢在于采用高純CO2為原料氣可以直接參與反應(yīng)，在催化劑表面形成氣-固-液三相界面的催化體系，并且配合整套體系可在流動相狀態(tài)下不斷為催化劑表面提供反應(yīng)原料。

      SSC-PEFC20cc解決了商業(yè)電催化CO2還原反應(yīng)存在的漏液、漏氣問題，采用全新的純鈦材質(zhì)池體，實現(xiàn)全新的外觀設(shè)計和更加方便的操作。既保證了實驗原理的簡單可行，又提高了CO2還原反應(yīng)的催化活性，為實現(xiàn)CO2還原的工業(yè)化提供了可行方案。

產(chǎn)品優(yōu)勢：

● 半導(dǎo)體材料的電化學、光電催化反應(yīng)活性評價；

● 用于CO2還原光電催化、光電解水、光電降解、燃料電池等領(lǐng)域；                

● 微量反應(yīng)系統(tǒng)，極低的催化劑用量；

● 配置有耐150psi的石英光窗；

● 采用純鈦材質(zhì)，耐壓抗腐蝕；

● 導(dǎo)電電極根據(jù)需要可表面鍍金、鈀或鉑，導(dǎo)電性能佳，耐化學腐蝕；

● 光電催化池可與光源、GC-HF901（EPC）、電化學工作站、采樣系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)配合，搭建光電催化CO2還原系統(tǒng)，實現(xiàn)在線實時測試分析。