光催化CO2還原反應具有綠色、條件溫和、原料來源豐富等特點，因此被認為是實現“碳達峰”和“碳中和”的有效途徑之一。受制于轉化率和選擇性問題，目前的光催化CO2還原研究仍處于實驗室階段，除了開發、合理設計高效催化劑，同時也可以通過優化反應工藝，改變反應條件實現光催化CO2的高效轉化。

一般情況下，光催化CO2還原反應主要在氣相或液相中進行[1]。

液相反應體系是在CO2的飽和溶液中發生，此時光催化劑均勻分散在溶液中。

氣相反應體系是光催化劑被固定在基底支架上，CO2和水蒸氣的混合氣直接與光催化劑進行反應，如圖1所示[2]。

圖1. 氣相和液相光催化CO2還原反應模型對比[2].

在液相反應體系中，由于分散在溶液中的固體催化劑始終處于攪拌狀態，電荷傳遞效率和傳熱效率更高[3, 4]，但液相反應體系中，CO2在H2O中有限的溶解度和擴散系數會限制光催化CO2還原反應的傳質效率[5]。

在25℃，101.325 kPa反應條件下，CO2在H2O中的溶解度小于0.033 mol·L-1，減弱了CO2分子從氣相向光催化劑表面的擴散作用[6]。

相比于中性和酸性條件，CO2在堿性條件下的溶解度更高[1]，可以通過提高溶液pH值提高CO2的溶解度，也可以向H2O中加入乙腈（ACN）[7]、乙酸乙酯（EAA）[8]等有機溶劑以促進CO2的溶解。

為了解決上述問題，研究人員提出了在氣相中進行光催化CO2還原反應。相比于液相反應，氣相反應不受犧牲劑、光敏劑、溶劑等因素的影響，是一種比較簡單的反應系統。

CO2在氣相中的擴散系數約為0.1 cm2·s-1，比在液相中的擴散系數大約高四個數量級[9, 10]，因此在氣相反應中，CO2與光催化劑間的傳質效率更高。

氣相光催化CO2還原反應的另一優勢在于可有效抑制析氫反應[2, 11]。由于將H2O還原為H2在熱力學和動力學方面上更有利，在液相反應中進行的光催化CO2還原反應有可能會誘發析氫反應，降低CO2的轉化率[1, 6]。而氣相反應中的光催化CO2還原反應可以有效解決這一問題。

目前光催化CO2還原反應中的氣相反應主要分為兩種方式，一種是將光催化劑涂覆于基材上，形成薄膜，具有一定濕度的CO2從薄膜上層流過，如圖2（a）所示；另一種是固定床式氣相反應，具有一定濕度的CO2直接從光催化劑床層穿過，如圖2（b）所示。相比于上述方式，固定床式的傳質作用更加充分，有助于提高光催化CO2轉化率。

圖2. （a）薄膜氣相反應模式和（b）固定床氣相反應模式.

為滿足氣相光催化CO2還原反應需求，泊菲萊科技有限公司推出了在線測溫氣固相光催化反應器，該反應器主要適配于我司Labsolar-6A全玻璃自動在線微量氣體分析系統（以下簡稱Labsolar-6A系統），如圖3所示。

在線測溫氣固相光催化反應器有別于被動式擴散，氣固相反應器采用氣體“穿透”式方案，結合Labsolar-6A系統中的磁驅柱塞泵，使CO2與催化劑充分接觸，提高傳質效率，提升反應轉化率。

圖3. Labsolar-6A系統搭載在線測溫氣固相光催化反應器現場實物圖（湖南大學）[12].

除了光催化CO2還原反應之外，在線測溫氣固相光催化反應器還適用于光熱催化CO2還原反應。反應器設有專用的原位紅外測溫口，非接觸式實時測量催化劑表面溫度并記錄，同時配有恒溫夾套，一定程度降低熱耗散，如圖4所示。

圖4. Labsolar-6A系統搭載在線氣固相光催化反應器現場實物圖.

在線測溫氣固相光催化反應器基本參數：

• 反應器材質：反應器為高硼硅玻璃，光窗為石英玻璃；

• 粉末催化劑放置方式：平鋪于反應器自帶的石英濾膜表面；

• 反應器容積：總容積（帶懸臂）：118 mL；柱形部分容積：96 mL；

• 反應器尺寸：法蘭外徑60 mm，總高度約200 mm；

• 溫度測量范圍：0~600℃；

• 測量精度：0.1℃。

圖5.在線測溫氣固相光催化反應器及其配附件.