光催化反應(yīng)依賴紫外光激發(fā)催化劑活性，紫外輻照的精準(zhǔn)控制與實(shí)時監(jiān)測是提升反應(yīng)效率的關(guān)鍵。本文針對光催化反應(yīng)中紫外輻照的特殊性，分析紫外輻照計(jì)的探測原理與硬件設(shè)計(jì)，闡述適用于反應(yīng)體系的實(shí)時監(jiān)測技術(shù)，包括光譜響應(yīng)校準(zhǔn)、抗干擾信號處理及智能化控制策略，為光催化反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

一、引言

      光催化技術(shù)在污水處理、CO?還原、空氣凈化等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景，其核心是紫外 / 可見光激發(fā)催化劑產(chǎn)生電子 - 空穴對，引發(fā)氧化還原反應(yīng)。紫外光（200-400 nm）作為主要激發(fā)光源，其輻照強(qiáng)度、波長分布及空間均勻性直接影響催化效率。傳統(tǒng)輻照計(jì)多側(cè)重靜態(tài)測量，難以滿足光催化反應(yīng)中動態(tài)變化的監(jiān)測需求。紫外輻照計(jì)的實(shí)時監(jiān)測技術(shù)需解決強(qiáng)腐蝕性環(huán)境適應(yīng)、窄帶光譜響應(yīng)校準(zhǔn)、高速信號采集等問題，成為提升光催化反應(yīng)可控性的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

二、紫外輻照計(jì)的特殊探測原理與硬件設(shè)計(jì)

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(tǒng)硅基探測器在 280 nm 以下響應(yīng)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(dǎo)體材料（GaN 禁帶寬度 3.4 eV，對應(yīng) 365 nm 截止波長），在 200-365 nm 范圍內(nèi)具有高量子效率（>50%），且對可見光及紅外光無響應(yīng)，能有效抑制環(huán)境光干擾。例如，濱松 R2868 型紫外探測器在 254 nm 處響應(yīng)度達(dá) 0.15 A/W，暗電流低至 1 nA，適合低輻照強(qiáng)度監(jiān)測。

（2）濾光片與光路優(yōu)化

為排除可見光及雜散光干擾，紫外輻照計(jì)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(shè)計(jì)，可將探測端伸入反應(yīng)體系內(nèi)部，光纖外層鍍二氧化硅抗腐蝕涂層，適應(yīng)酸性 / 堿性反應(yīng)環(huán)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(shè)計(jì)

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

三、實(shí)時監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

1.窄帶光譜響應(yīng)校準(zhǔn)方法

（1）紫外標(biāo)準(zhǔn)光源定標(biāo)

使用計(jì)量級紫外標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)以 5 nm 間隔輸出單色光，對輻照計(jì)進(jìn)行逐點(diǎn)校準(zhǔn)。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(diǎn)校準(zhǔn)其響應(yīng)系數(shù)。校準(zhǔn)公式為：

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

（2） 原位校準(zhǔn)技術(shù)

在反應(yīng)體系中內(nèi)置微型標(biāo)準(zhǔn)紫外 LED（波長穩(wěn)定性 ±0.5 nm，功率穩(wěn)定性 ±0.2%），定期發(fā)射校準(zhǔn)光脈沖，實(shí)現(xiàn)對探測器的原位實(shí)時校準(zhǔn)，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(zhuǎn)換

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

（2）差分測量技術(shù)

在反應(yīng)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(jīng)衰減片接收（信號V2），通過差分運(yùn)算V=V1?kV2（k為衰減系數(shù)），消除溶液濁度變化、催化劑沉積對光路的干擾。實(shí)驗(yàn)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(tǒng)

（1）輻照 - 反應(yīng)動力學(xué)模型

基于 Langmuir-Hinshelwood 動力學(xué)方程，建立紫外輻照強(qiáng)度I與反應(yīng)速率r的關(guān)系式：r=k1+KIKI其中，k為反應(yīng)速率常數(shù)，K為吸附平衡常數(shù)。通過實(shí)時監(jiān)測的輻照數(shù)據(jù)，結(jié)合在線濃度傳感器（如 UV-Vis 光譜儀），反推催化劑表面光強(qiáng)分布，優(yōu)化光源功率輸出。

（2）閉環(huán)控制策略

將輻照計(jì)與紫外 LED 驅(qū)動電源聯(lián)動，設(shè)定目標(biāo)輻照值Iset，當(dāng)實(shí)測值Imeas偏離超過 5% 時，通過 PID 算法調(diào)節(jié)電源電流，使Imeas在 30 s 內(nèi)恢復(fù)至設(shè)定值。該策略已在 TiO?光催化降解甲基橙實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證，可將輻照波動控制在 ±2% 以內(nèi)，反應(yīng)速率穩(wěn)定性提升 30%。

四、應(yīng)用案例：連續(xù)流光催化反應(yīng)器監(jiān)測系統(tǒng)

在某工業(yè)級光催化廢水處理裝置中，采用分布式紫外輻照計(jì)陣列（64 通道，間距 5 cm）監(jiān)測反應(yīng)器內(nèi)壁輻照分布。每個通道配備獨(dú)立的 GaN 探測器與 254 nm 帶通濾光片，通過光纖總線將數(shù)據(jù)傳輸至中央控制系統(tǒng)。實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，反應(yīng)器入口處輻照強(qiáng)度為 20 mW/cm2，出口因溶液吸收降至 12 mW/cm2，據(jù)此調(diào)整光源功率分布，使整體反應(yīng)效率提升 18%。系統(tǒng)運(yùn)行 6 個月后，通過原位校準(zhǔn)技術(shù)發(fā)現(xiàn)探測器靈敏度下降 3%，自動觸發(fā)校準(zhǔn)程序恢復(fù)測量精度。

五、挑戰(zhàn)與展望

1.現(xiàn)存技術(shù)瓶頸

• 寬光譜動態(tài)范圍：紫外 LED 與汞燈混合光源的寬光譜（200-400 nm）監(jiān)測中，濾光片串?dāng)_導(dǎo)致波長分辨誤差 > 3%。

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

• 微尺度反應(yīng)監(jiān)測：納米級催化劑顆粒團(tuán)聚引起的局部輻照衰減，現(xiàn)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(fā)二維材料（如黑磷烯、二硫化鉬）紫外探測器，實(shí)現(xiàn) 10 nm 級波長分辨與柔性探頭設(shè)計(jì)。

• 光譜成像技術(shù)：集成紫外 CCD 相機(jī)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建反應(yīng)器內(nèi)光強(qiáng)分布的三維實(shí)時成像系統(tǒng)。

• 自校準(zhǔn)智能傳感器：融合微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）與無線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無人工干預(yù)的長期在線監(jiān)測。

六、結(jié)論

      紫外輻照計(jì)的實(shí)時監(jiān)測技術(shù)通過敏感元件優(yōu)化、精準(zhǔn)校準(zhǔn)及智能控制，為光催化反應(yīng)提供了可靠的輻照數(shù)據(jù)支撐。隨著材料科學(xué)與測控技術(shù)的進(jìn)步，該技術(shù)將向更高精度、更強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性及更智能化方向發(fā)展，推動光催化技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研究邁向工業(yè)規(guī)模化應(yīng)用。

產(chǎn)品展示

      SSC-OPM1000型光輻照計(jì)是一款便攜式自動量程的測試儀器。采用專業(yè)的光電探測探頭，選用高精度低功耗數(shù)字芯片，探測器經(jīng)過嚴(yán)格的光譜及角度特性校正，性能穩(wěn)定，適用性強(qiáng)，并采用溫度校正，提高精準(zhǔn)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?zé)簟紊獾取?/p>

SSC-OPM1000光輻照計(jì)特點(diǎn)：

● 光譜及角度特性經(jīng)嚴(yán)格校正

●  數(shù)字液晶顯示結(jié)果，含溫度校正

●  一鍵開關(guān)，自動量程切換

●  數(shù)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(jì)包括主機(jī)、探測探頭兩部分，測量結(jié)果直接由7寸觸摸顯示器顯示。便于觀察記錄。