学者构建光电催化纤上实验室监测催化剂表面反应

近日，暨南大学物理与光电工程学院教授关柏鸥团队在国家自然科学基金等项目的资助下，设计出一种基于微光纤的光催化传感器，用于光电催化过程中催化剂表面反应物浓度和热效应的实时、原位解析。相关成果发表于《先进科学》（Advanced Science）。

光电催化技术，可在温和的条件下实现太阳能到化学能的转化，并且不产生二次污染，是解决当前环境和能源问题的一个重要途径。在催化过程中，催化剂表面反应物浓度的变化和热效应的产生是表征催化效果和解释反应机理的两个关键参数。这些参数支配着催化剂的宏观反应，并对催化剂内部结构——性能相关性的评价产生重要影响。为了理解光电催化机制并进一步提高催化性能，将宏观尺度的催化性能观测发展到对催化剂表面亚微米范围内的反应物浓度和温度变化的监测和分析是非常重要的，然而，这一工作也极具挑战性。

目前已有大量的工作致力于寻找新的表征技术以提供催化分解过程中反应产物的有关信息，这些方法包括气相色谱—质谱法、紫外—可见吸收光谱法和拉曼光谱法。与此同时，热电偶、扫描热显微镜、红外热成像仪也被用于监测催化剂的温度。然而，这些方法通常需要大型、昂贵的仪器和复杂的操作。此外，它们主要关注于宏观尺度的反应结果并且无法作实时监测，因此缺乏在亚微米尺度上原位、连续监测的能力。

针对上述光电催化反应中关键参量监测所面临的难题，关柏鸥团队以微光纤为载体，通过将催化剂和污染物有序地组装于光纤表面，在光纤表面构建“光电催化纤上实验室”，将激发催化反应的光源替换成泵浦激光耦合于光纤中，通过光纤倏逝场激发光纤表面的光催化效应，实现了对光电催化反应过程的模拟；由于光纤倏逝场具备快速响应能力并且穿透深度在亚微米尺寸范围，因此光纤能够通过倏逝场感知表面“纤上实验室”的反应过程，实现对催化反应中催化剂表面反应物浓度和热效应两个关键参量的实时监测。通过微光纤光催化传感器的监测，研究团队获得了实时参数和催化活性之间的稳定的相关性，为催化过程和机理的理解提供了重要的基础。

该方法将有望填补现有的催化过程和催化产热监测方法的重要空白。

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/advs.202310264

利用光催化微光纤“纤上实验室”原位监测催化剂表面反应物浓度变化及产热效应示意图。研究团队 供图