光電催化技術(shù)，可在溫和的條件下實(shí)現(xiàn)太陽能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，并且不產(chǎn)生二次污染，是解決當(dāng)前環(huán)境和能源問題的一個(gè)重要途徑。在催化過程中，催化劑表面反應(yīng)物濃度的變化和熱效應(yīng)的產(chǎn)生是表征催化效果和解釋反應(yīng)機(jī)理的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)支配著催化劑的宏觀反應(yīng)，并對(duì)催化劑內(nèi)部結(jié)構(gòu)——性能相關(guān)性的評(píng)價(jià)產(chǎn)生重要影響。為了理解光電催化機(jī)制并進(jìn)一步提高催化性能，將宏觀尺度的催化性能觀測(cè)發(fā)展為對(duì)催化劑表面亞微米范圍內(nèi)的反應(yīng)物濃度和溫度變化的監(jiān)測(cè)和分析是非常重要的，然而，這一工作也極具挑戰(zhàn)性。

目前已有大量的工作致力于尋找新的表征技術(shù)以提供催化分解過程中反應(yīng)產(chǎn)物的有關(guān)信息，這些方法包括氣相色譜—質(zhì)譜法、紫外—可見吸收光譜法和拉曼光譜法。與此同時(shí)，熱電偶、掃描熱顯微鏡、紅外熱成像儀也被用于監(jiān)測(cè)催化劑的溫度。然而，這些方法通常需要大型、昂貴的儀器和復(fù)雜的操作。此外，它們主要關(guān)注于宏觀尺度并且無法作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此缺乏在亞微米尺度上原位、連續(xù)監(jiān)測(cè)的能力。

針對(duì)上述光電催化反應(yīng)中關(guān)鍵參量監(jiān)測(cè)所面臨的難題，暨南大學(xué)關(guān)柏鷗教授/黃赟赟教授團(tuán)隊(duì)以微光纖為載體，通過將催化劑和污染物有序地組裝于光纖表面，在光纖表面構(gòu)建“光電催化纖上實(shí)驗(yàn)室”，將激發(fā)催化反應(yīng)的光源替換成泵浦激光耦合于光纖中，通過光纖倏逝場(chǎng)激發(fā)光纖表面的光催化效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光電催化反應(yīng)過程的模擬；由于光纖倏逝場(chǎng)具備快速響應(yīng)能力并且穿透深度在亞微米尺寸，因此光纖能夠通過倏逝場(chǎng)感知表面“纖上實(shí)驗(yàn)室”的反應(yīng)過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)催化反應(yīng)中催化劑表面反應(yīng)物濃度和熱效應(yīng)兩個(gè)關(guān)鍵參量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

結(jié)果表明，該傳感器能夠分別對(duì)由光照和電刺激誘導(dǎo)的催化反應(yīng)過程中催化劑表面反應(yīng)物濃度和溫度的變化過程進(jìn)行原位解析。它還能用于分析催化劑組成對(duì)吸附效率的影響以及測(cè)定在不同波長(zhǎng)誘導(dǎo)下的催化反應(yīng)效率。其監(jiān)測(cè)結(jié)果表明了在催化劑表面，污染物的降解和催化產(chǎn)熱效應(yīng)是同步發(fā)生的。通過微光纖光催化傳感器的監(jiān)測(cè)，研究人員獲得了實(shí)時(shí)參數(shù)和催化活性之間的穩(wěn)定的相關(guān)性。這為催化過程和機(jī)理的理解提供一個(gè)重要的基礎(chǔ)。該方法將有望填補(bǔ)現(xiàn)有的催化過程和催化產(chǎn)熱監(jiān)測(cè)方法的重要空白。

關(guān)柏鷗教授/黃赟赟教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于光纖生物化學(xué)傳感器研究，本項(xiàng)目成果為復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中關(guān)鍵參量的實(shí)時(shí)、原位監(jiān)測(cè)提供了一種嶄新的思路。暨南大學(xué)物理與光電學(xué)院黃赟赟教授、碩士研究生牟彩妮、博士研究生梁家炫為本文的共同第一作者，關(guān)柏鷗教授和黃赟赟教授為該文的通訊作者。