紫外輻照計在光催化反應中的實時監測技術

  光催化反應依賴紫外光激發催化劑活性，紫外輻照的精準控制與實時監測是提升反應效率的關鍵。本文針對光催化反應中紫外輻照的特殊性，分析紫外輻照計的探測原理與硬件設計，闡述適用于反應體系的實時監測技術，包括光譜響應校準、抗干擾信號處理及智能化控制策略，為光催化反應器的優化設計提供技術參考。

一、引言

      光催化技術在污水處理、CO?還原、空氣凈化等領域展現出廣闊應用前景，其核心是紫外 / 可見光激發催化劑產生電子 - 空穴對，引發氧化還原反應。紫外光（200-400 nm）作為主要激發光源，其輻照強度、波長分布及空間均勻性直接影響催化效率。傳統輻照計多側重靜態測量，難以滿足光催化反應中動態變化的監測需求。紫外輻照計的實時監測技術需解決強腐蝕性環境適應、窄帶光譜響應校準、高速信號采集等問題，成為提升光催化反應可控性的關鍵技術環節。

二、紫外輻照計的特殊探測原理與硬件設計

1.紫外敏感探測元件的選擇

（1）日盲型紫外探測器

光催化常用的 UVC（200-280 nm）和 UVB（280-320 nm）波段易被大氣臭氧層吸收，傳統硅基探測器在 280 nm 以下響應顯著下降。日盲型探測器（如 GaN、SiC 基光電二極管）利用寬禁帶半導體材料（GaN 禁帶寬度 3.4 eV，對應 365 nm 截止波長），在 200-365 nm 范圍內具有高量子效率（>50%），且對可見光及紅外光無響應，能有效抑制環境光干擾。例如，濱松 R2868 型紫外探測器在 254 nm 處響應度達 0.15 A/W，暗電流低至 1 nA，適合低輻照強度監測。

（2）濾光片與光路優化

為排除可見光及雜散光干擾，紫外輻照計需集成帶通濾光片（如 254 nm、365 nm 窄帶濾光片，半高寬 < 10 nm）。采用光纖耦合探頭設計，可將探測端伸入反應體系內部，光纖外層鍍二氧化硅抗腐蝕涂層，適應酸性 / 堿性反應環境。探頭前端的漫射器（如聚四氟乙烯漫射片）可均勻接收各方向紫外光，提升空間輻照測量精度。

2.硬件抗干擾設計

光催化反應常伴隨溶液流動、氣泡生成及溫度變化，需對探測器進行防震、恒溫封裝。采用不銹鋼金屬外殼（內壁拋光處理減少光反射），內部集成溫度傳感器與半導體制冷片，將探測器溫度穩定在 25±0.5℃，避免溫度漂移對響應度的影響（實驗表明，GaN 探測器響應度隨溫度升高以 0.1%/℃速率下降）。

三、實時監測關鍵技術

1.窄帶光譜響應校準方法

（1）紫外標準光源定標

使用計量級紫外標準光源（如氘燈 + 單色儀組合，光譜輻射照度不確定度 < 1%），在 200-400 nm 范圍內以 5 nm 間隔輸出單色光，對輻照計進行逐點校準。針對光催化常用的特征波長（254 nm 汞燈光譜、365 nmLED 光源），需重點校準其響應系數。校準公式為：

K(λ)=Vdet(λ)Estd(λ)其中，Estd(λ)為標準光源光譜輻照度，Vdet(λ)為探測器輸出電壓。

（2） 原位校準技術

在反應體系中內置微型標準紫外 LED（波長穩定性 ±0.5 nm，功率穩定性 ±0.2%），定期發射校準光脈沖，實現對探測器的原位實時校準，消除長期使用中濾光片老化、傳感器靈敏度漂移的影響。

2. 高速信號采集與噪聲抑制

（1） 跨阻放大與高速 AD 轉換

紫外探測器輸出的微弱光電流（納安級）經跨阻放大器（帶寬 10 MHz，噪聲等效電流 <1 pA/√Hz）轉換為電壓信號，通過 16 位高速 ADC（采樣率 10 kS/s）實時采集。針對反應中氣泡散射引起的高頻噪聲（100-500 Hz），采用 50 Hz 低通數字濾波，保留輻照強度的低頻變化（反應動力學時間常數通常> 10 s）。

（2）差分測量技術

在反應器對稱位置部署雙探測器，一路直接接收紫外光（信號V1），另一路經衰減片接收（信號V2），通過差分運算V=V1?kV2（k為衰減系數），消除溶液濁度變化、催化劑沉積對光路的干擾。實驗表明，該方法可將測量誤差從 ±5% 降至 ±1.5%。

3.智能化控制與反饋系統

（1）輻照 - 反應動力學模型

基于 Langmuir-Hinshelwood 動力學方程，建立紫外輻照強度I與反應速率r的關系式：r=k1+KIKI其中，k為反應速率常數，K為吸附平衡常數。通過實時監測的輻照數據，結合在線濃度傳感器（如 UV-Vis 光譜儀），反推催化劑表面光強分布，優化光源功率輸出。

（2）閉環控制策略

將輻照計與紫外 LED 驅動電源聯動，設定目標輻照值Iset，當實測值Imeas偏離超過 5% 時，通過 PID 算法調節電源電流，使Imeas在 30 s 內恢復至設定值。該策略已在 TiO?光催化降解甲基橙實驗中驗證，可將輻照波動控制在 ±2% 以內，反應速率穩定性提升 30%。

四、應用案例：連續流光催化反應器監測系統

在某工業級光催化廢水處理裝置中，采用分布式紫外輻照計陣列（64 通道，間距 5 cm）監測反應器內壁輻照分布。每個通道配備獨立的 GaN 探測器與 254 nm 帶通濾光片，通過光纖總線將數據傳輸至中央控制系統。實時監測數據顯示，反應器入口處輻照強度為 20 mW/cm2，出口因溶液吸收降至 12 mW/cm2，據此調整光源功率分布，使整體反應效率提升 18%。系統運行 6 個月后，通過原位校準技術發現探測器靈敏度下降 3%，自動觸發校準程序恢復測量精度。

五、挑戰與展望

1.現存技術瓶頸

• 寬光譜動態范圍：紫外 LED 與汞燈混合光源的寬光譜（200-400 nm）監測中，濾光片串擾導致波長分辨誤差 > 3%。

• 強腐蝕環境耐久性：酸性溶液（如 pH<2）長期侵蝕光纖涂層，導致透光率每年下降 5%。

• 微尺度反應監測：納米級催化劑顆粒團聚引起的局部輻照衰減，現有毫米級探頭難以捕捉。

2.未來研究方向

• 新型探測材料：開發二維材料（如黑磷烯、二硫化鉬）紫外探測器，實現 10 nm 級波長分辨與柔性探頭設計。

• 光譜成像技術：集成紫外 CCD 相機與機器學習算法，構建反應器內光強分布的三維實時成像系統。

• 自校準智能傳感器：融合微機電系統（MEMS）與無線傳輸技術，實現無人工干預的長期在線監測。

六、結論

      紫外輻照計的實時監測技術通過敏感元件優化、精準校準及智能控制，為光催化反應提供了可靠的輻照數據支撐。隨著材料科學與測控技術的進步，該技術將向更高精度、更強環境適應性及更智能化方向發展，推動光催化技術從實驗室研究邁向工業規模化應用。

產品展示

      SSC-OPM1000型光輻照計是一款便攜式自動量程的測試儀器。采用專業的光電探測探頭，選用高精度低功耗數字芯片，探測器經過嚴格的光譜及角度特性校正，性能穩定，適用性強，并采用溫度校正，提高精準度。可以用來測量太陽光（300-1100nm）的輻照度，也可以用于測試太陽光模擬器、模擬日光氙燈，LED光源、氙燈、鹵素燈、單色光等。

SSC-OPM1000光輻照計特點：

● 光譜及角度特性經嚴格校正

●  數字液晶顯示結果，含溫度校正

●  一鍵開關，自動量程切換

●  數字輸出接口（可充電）

●  采用鋰電供電

●  測量范圍0-700mW/cm2，300-1100nm 

SSC-OPM1000光輻照計包括主機、探測探頭兩部分，測量結果直接由7寸觸摸顯示器顯示。便于觀察記錄。