真空光催化,指在10⁻⁶ Pa级超高真空环境下，氧气与杂质气体被彻底隔绝，光生电子利用率提升30%以上，目标产物选择性提高50%——这便是真空光催化技术为能源与环境研究带来的革命性突破。传统常压系统中，氧气对光生空穴的猝灭作用、副反应对中间产物的干扰，使得催化剂真实活性与反应路径难以精准解析。中教金源通过核心技术，构建了覆盖光解水制氢、CO₂还原、表面反应机理研究的全链条实验平台，为科研人员提供了“原子级纯净”的反应环境。

一、技术原理：真空环境为何是催化研究的“刚需”？

1. 消除氧干扰，释放电子潜能

• 空穴猝灭抑制：常压下O₂与光生空穴结合生成超氧自由基（•O₂⁻），消耗30%以上有效电子。真空环境隔绝氧气，使电子全力参与目标反应（如CO₂还原或产氢）。

• 表面态稳定：防止催化剂表面氧化失活，如CeO₂在300℃真空下氧空位浓度较常压高3倍，显著提升催化持久性。

2. 副反应“清零”，路径精准可控

• 羟基自由基（•OH）链式反应被抑制，避免有机物矿化路径偏离；

• 江南大学研究显示：真空环境中Cu单原子催化剂可实现CO₂→CH₄直接转化，跳过*COOH中间体，证实全新反应路径。

3. 原位监测“零时差”

• 预留XPS/Raman接口实时捕捉催化剂化学态变化，如通过CEL-SPS1000表面光电压谱仪监测氧空位动力学；

• 在线质谱（如CEL-QMS1000）秒级响应气体产物，动态生成反应动力学报告。

二、科研突破：真空环境催化的前沿进展

1. CO₂还原：从高浓气体到空气直用

• 挑战：常压系统中CO₂传质效率低，大气浓度CO₂（0.03%）难以利用；

• 突破：

• 江南大学设计Pd-ZnO纳米片，在真空环境中通过电荷不对称杂原子位点触发C-C偶联，实现大气浓度CO₂→C₂H₄转化（速率1.03 μmol g⁻¹ h⁻¹）；

• 中教金源CEL-GPPCM系统结合真空反应器，使甲烷转化率达85%以上（光热协同催化）。

2. 光解水制氢：电子利用率的跃升

• Pt/TiO₂纳米线在10⁻⁵ Pa真空、80℃条件下，产氢速率达18.7 μmol·g⁻¹·h⁻¹，较常压系统提升40%；

• 机制：真空抑制H⁺逆反应生成H₂，提升电子传递效率。

3. H₂O₂绿色合成：亲水催化剂的逆袭

• 华东理工大学朱为宏院士团队利用酒石酸衍生物构建亲水性COF（TAH-COF），在真空辅助下实现纯水/空气中H₂O₂合成（速率6003 μmol h⁻¹ g⁻¹），太阳能转化效率0.66%。

三、中教金源真空光催化系统：三大核心模块解析

1. 真空生成与控温模块

2. 光源与产物分析模块

• 光源适配：

• CEL-S500F氙灯光源（200-800nm），支持紫外加速与可见光反应；

• 光强0-300 mW/cm²可调，波动率＜0.03%。

• 分析系统：

• CEL-QMS1000在线质谱：H₂检测限≤0.01 ppm，响应时间＜1s；

• 全自动进样（CEL-GSOA-20）：避免人工采样误差。

3. 扩展联用与安全设计

• 电化学耦合：兼容CS310M工作站，实现光-电-真空三场协同研究；

• 安全冗余：蓝宝石视窗（耐腐蚀）+双线密封+卸荷阀三重保障，支持250℃/10MPa高压实验。

四、工业转化：从实验室到碳捕集战场

1. 直接空气碳捕获（DAC）的真空赋能

• 技术痛点：吸附剂再生能耗高，CO₂脱附效率低；

• 真空方案：

• DAC固态系统利用真空泵加热脱附CO₂（如Climeworks公司采用Busch干式爪泵）；

• 中教金源真空技术可优化吸附-脱附循环，降低每吨碳捕获成本（现＞200美元）。

2. 未来趋势：智能化与规模化

• AI优化：机器学习推荐最佳真空度-光强-温度组合，实验效率提升60%；

• 模块化反应器：CEL-HPR+系列支持250ml至500ml容积扩展，适配中试级催化验证。

真空催化——迈向原子精度的“绿色化学”

从揭示CO₂→C₂H₄的C-C偶联路径，到实现98.9% CH₄选择性，真空光催化技术正推动催化研究从“宏观现象”迈向“原子机理”。中教金源凭借技术优势，其设备已应用于中科院、江南大学等机构，助力发表多篇文章成果。未来，随着飞秒激光超快动力学捕获与AI预测模型的融合，真空催化将加速驱动碳中和技术从实验室走向工业落地。