光催化还原二氧化碳（CO₂）已经成为缓解全球能源和环境问题的极具前景的方案之一。研究人员始终致力于提高CO₂光催化还原的效率，采用各种策略改变光催化剂的基本性质以抑制电子-空穴复合，优化反应条件以达到最高收率，以及概念化和构建光反应器以改善吸附过程。在这些因素中，光反应器对提高整体光催化效率起着至关重要的作用。了解各种类型的光反应器及其运行动态对实验设计具有重要的影响，可进一步指导数据的收集和分析。与固液相相比，气固相光催化还原CO₂因其快速的分子扩散速率、可调节的CO₂浓度以及均匀充足的光照等潜在优势而受到认可。尽管如此，目前报道的气固相光反应器仍处于起步阶段。

近期，江苏科技大学于超教授课题组在 Green Chemical Engineering (GreenChE) 上发表了题为“Progress on gas-solid phase photoreactor and its application in CO₂ reduction”的综述性文章。该文章采用一种新的分类法策略，根据不同的操作场景对光催化反应器进行了系统归纳，并详细探讨了各种反应器设计的性能评估标准和发展演变。此外，该文还结合绿色化学工程的理念，为光催化反应器的未来研发方向和所面临的挑战提供了前瞻性的见解。

本文采用一种创新的方法对光反应器进行分类，如图1所示。本文首先阐述了光催化CO₂还原的机理和反应器的性能评价标准。然后，文章介绍了不同类型的气固相光催化反应器，包括“地毯”式平铺式反应器、“煎饼”式薄膜反应器、“牙签”式光纤反应器、“蜂窝”式整体式反应器和“三明治”式平板微反应器。最后，对气固相光催化CO₂还原反应器的未来发展和面临的挑战进行了展望。

1. CO₂光催化还原机理

CO₂的C=O具有750 KJ mol^-1的强键能，表现为分子惰性。它在阳光下稳定，这使得直接激活CO₂成为一个挑战。CO₂活化对于氧化还原反应至关重要，因此需要引入具有合适能带结构的催化剂进行CO₂光催化还原。当光催化剂暴露于光下时，电子会被激发从价带跃迁到导带，导致价带产生等量的空穴。在气固反应中，吸附在催化剂表面的CO₂与光生电子结合生成C1和C2产物。在光催化CO₂还原过程中，通常使用水作为电子供体。然而，在液固模型中，水的氧化半反应动力学缓慢，会阻碍CO₂还原反应的速度。因此，在液固模型中，通常引入牺牲剂代替水参与氧化半反应，加速氧化半反应。根据牺牲剂的种类，产生相应的氧化产物。而一些常用的牺牲剂在光照下会自分解，产生CO、CH₄和C₂H₄等气体。副产物会严重影响CO₂还原的性能评价，有机溶剂或牺牲剂的掺入可能会使液体产物的检测进一步复杂化。相比之下，气固模型通过排除牺牲剂和使用水蒸气进行氧化反应生成氧气来避免这些问题。该方法简化了整个反应体系组分，最大限度地减少了潜在的副作用，提高了光催化CO₂性能评价的准确性。

2. 气固相光反应器类型

2.1. “地毯”反应器

“地毯”反应器操作简单，催化剂面积可控。催化剂以直接堆积的方式放置在反应器中。CO₂和水蒸气通过反应器参与反应，避免了催化剂与水的直接接触，从而减少了竞争性反应，提高了碳产物的选择性。然而，由于“地毯”式反应器的配光效率不高，会对CO₂还原反应的性能造成一定的制约。通过调整光源的位置和强度或催化剂的平铺方式，可以提高CO₂光催化还原的性能。

2.2. “煎饼”反应器

“煎饼”反应器因其简单的设计和易于放大的特点而受到研究人员的青睐，主要用于气固相催化反应。它在气固相中具有优良的扩散和传质能力，操作方便的优势，但反应物与催化剂之间的接触面积有限。CO₂从“煎饼“反应器的一端流入，与装载在反应器底部或板上的薄膜催化剂接触发生反应，并从反应器的另一端流出。及时将产物吹出反应器，可加快CO₂还原反应速度和效率。

2.3. “牙签”反应器

“牙签”反应器具有优异的光催化性能。光通过反应器内的光纤传输，减少了光到达催化剂的误差。从而提高了光催化反应的量子产率，减少了反应器和反应气体对光的吸收和散射，并且将催化剂包裹在纤维周围，使催化剂分散性更好，降低了传质限制。“牙签”反应器广泛应用于空气净化、去除气态有机污染物或减少CO₂等领域。在“牙签”反应器中，光的入射角、纤维的长度、纤维的数量以及催化剂的厚度等因素都会影响催化性能。但是，它使用光纤作为催化剂载体，光纤过于脆弱，容易断裂，热量的积累容易使光催化剂失活，阻碍催化反应。“牙签”式反应器操作不便，光纤不易超长，费用高得令人望而却步。因此，反应器在CO₂减排方面还有许多问题需要解决，不能大规模应用。

2.4. “蜂窝”反应器

由于“蜂窝”反应器具有狭窄的平行通道的特殊结构，其压降比大多数其他反应器要小。采用这种结构的反应器有利于CO₂光催化还原过程，并且在结构设计上具有较大的自由度，可以通过改进获得更大的照射表面积和传质速率，从而提高催化性能。在设计“蜂窝”反应器的过程中，众多研究者在反应器的设计过程中进行数值模拟，将物理实验与数值实验相结合，这是预测反应器最佳性能的一种实用方法，可以更好地研究光催化CO₂还原反应过程。

2.5. “三明治”反应器

“三明治”反应器反应体积小，比表面积大，反应时间快。因此，在传热过程中，传热效率将得到提高。与其他反应器相比，积热最小，加速了反应过程中的传热，可准确控制反应温度，避免局部过热。使用连续流进料可以精确控制反应时间，减少产品的积累和副反应的发生。微反应器有多种类型，平行放大可以通过增加平行管道的数量来实现。具有良好的安全性和可控性，节约了反应时间和经济成本。然而，微反应器在实际应用中还存在一些问题。由于通道狭窄，催化剂容易堵塞，反应可能不足。应根据反应情况选择合适的微反应器类型。与传统反应器相比，微反应器的成本更为昂贵，其普及程度也相对有限。通过对工业工艺的合理设计和不断优化，微反应器可以在工业生产中发挥重要作用。

虽然光催化可以将CO₂还原为高附加值产品，在一定程度上可以缓解环境问题，但目前的研究还处于实验室阶段，难以满足实际的工业需求。为了实现实际应用，未来的研究重点应集中在优化反应器配置、与可再生能源相结合和规模化和商业化等方面。这将需要开发创新的反应器设计，优化反应条件，并探索新的市场机会。气固光催化反应器的研究是实现光催化技术大规模产业化的关键。未来的研究重点应集中在优化反应器配置以及与可再生能源相结合等方面。通过这些努力，未来有望出现各种类型的新型反应器，既能满足实际工业需求，又能为解决环境问题做出重大贡献。