综述：光催化剂在氨合成中的固定化策略、支撑材料及性能优势

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Immobilization strategies, supporting materials, and performance advantages of photocatalysts in ammonia synthesis

本综述系统评述了光催化氮固定（PNF）领域的最新进展，重点分析了固定化策略在提升催化剂稳定性、可回收性及整体性能（如光吸收、N2吸附活化与电荷分离）方面的核心优势，并探讨了固定化技术、支撑材料与光反应器构型的协同机制，为绿色氨合成（NH3）的工业化应用提供了理论指导。

　　

Advantages and Performance Metrics of Immobilized Photocatalysts

将纳米级活性组分固定在支撑基质上，减轻了传统粉末催化剂的团聚，并便于其回收。此外，支撑物与催化剂之间的相互作用提升了整体氨合成性能。在PNF过程中，有效的N₂吸附和活化至关重要。精心设计的支撑物可以增加比表面积以改善N₂供应，同时定制的表面化学性质促进了N₂的化学吸附和活化。支撑物还可以作为电子介质或助催化剂，优化界面电荷分离和转移，从而促进N₂的还原。固定化结构通过防止活性位点被屏蔽并促进反应物和产物的传质，有助于维持催化剂的长期稳定性。性能评估通常包括氨产率、表观量子产率和稳定性循环测试等指标。

Assembly Technology for Immobilized Photocatalysts

固定化光催化剂的组装技术是影响其微观结构、催化剂-支撑物界面和物理化学性质的关键因素，这些因素最终决定了催化系统的性能。固定化策略的选择不应随意；必须仔细考虑目标材料结构、稳定性与活性等性能要求以及可用的操作条件。多种技术可用于实现固定化，主要包括物理吸附/沉积、化学键合、原位生长以及物理-化学混合方法。物理方法（如浸涂、旋涂）操作简单，但结合力可能较弱。化学方法（如共价键合、配位键合）通常提供更强的结合力和更明确的界面，但可能涉及更复杂的合成步骤。原位生长技术（如水热/溶剂热法）可以在支撑物上直接形成结构规整的催化剂层。选择合适的技术对于实现所需的催化剂负载量、分布、稳定性以及最终的光催化活性至关重要。

Supporting Materials for Photocatalyst Immobilization

支撑材料作为光催化剂活性组分与反应系统之间的桥梁。其物理和化学性质直接决定了固定化策略的可行性、界面相互作用机制以及催化系统的综合性能。支撑材料的选择必须与第3节所述的固定化技术相兼容，同时满足光催化反应的多重要求，包括光透射性、化学稳定性、导电性以及提供高比表面积。常用的支撑材料包括碳基材料（如石墨烯、碳纳米管）、金属基板（如泡沫金属、金属网）、玻璃、陶瓷以及聚合物基质等。每种材料都有其独特的优点；例如，碳材料具有高导电性和大比表面积，而玻璃则具有良好的光透性。支撑物的形貌（如多孔结构、纤维结构）也显著影响质量传递和光利用效率。

Photoreactor Configuration

作为光反应的核心装置，光反应器的结构设计直接影响光利用效率、传质速率、催化剂-反应物接触面积和产物分离效率。它是决定固定化催化剂性能和氨合成实际效率的关键因素。理想的光反应器应利用结构优化和固定化催化剂设计的协同机制，高效实现光吸收、电荷分离和表面反应。适用于固定化系统的常见反应器构型包括平板式反应器、管式反应器、填充床反应器和薄膜反应器。设计需考虑光照方式（如顶部照射、侧面照射）、反应物（如N₂、H₂O）的供给与混合方式以及产物NH₃的及时移出，以避免副反应或催化剂失活。反应器材质（如石英、特种玻璃）需具备良好的紫外-可见光透射性和耐压性。

Conclusion and Perspectives

作为一种有前景的绿色固氮方法，光催化氨合成技术的实际应用主要受限于光催化剂的有限效率和长期运行稳定性。虽然固定化策略可以通过将催化剂负载到支撑物上来缓解典型的粉末相关问题（如团聚和难回收），并通过改善光吸收、促进电荷分离和优化反应界面来进一步提升性能，但走向工业化仍面临挑战。未来的研究应侧重于开发具有增强光捕获和电荷分离能力的新型支撑材料，设计能够实现高效质量传递和光管理的先进光反应器，深入理解催化剂-支撑物界面在分子水平上的作用机制，以及提高系统在连续流动条件下的长期运行稳定性。解决这些挑战将加速固定化光催化系统从实验室规模向实际工业应用的转变。