隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L，氫氣作為一種清潔、高效的能源載體，其制備技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。光 - 電協(xié)同催化產(chǎn)氫技術(shù)結(jié)合了太陽能的可再生性和電催化的高效性，為可持續(xù)制氫提供了一條具潛力的途徑。本文聚焦于微通道電合成流動池與太陽能驅(qū)動的耦合系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵組件以及光 - 電協(xié)同催化產(chǎn)氫的機(jī)制。通過對相關(guān)研究進(jìn)展的綜述和分析，探討了該技術(shù)在提高產(chǎn)氫效率、降低成本、增強(qiáng)穩(wěn)定性等方面所取得的成果與面臨的挑戰(zhàn)，并對未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，旨在為推動光 - 電協(xié)同催化產(chǎn)氫技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

一、引言

      在全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，開發(fā)可持續(xù)、低碳的能源技術(shù)至關(guān)重要。氫氣具有能量密度高、燃燒產(chǎn)物無污染等優(yōu)點(diǎn)，被視為未來能源體系中的核心元素 。傳統(tǒng)的制氫方法，如化石燃料重整，存在碳排放高、資源有限等問題，而電解水制氫雖能實(shí)現(xiàn)清潔制氫，但能耗較高。光催化產(chǎn)氫利用太陽能將水分解為氫氣和氧氣，是一種具潛力的綠色制氫技術(shù)，然而其效率受到光生載流子復(fù)合等因素的限制 。光 - 電協(xié)同催化產(chǎn)氫技術(shù)將光催化與電催化相結(jié)合，有望克服單一催化方式的不足，提高太陽能到氫能的轉(zhuǎn)化效率 。微通道電合成流動池具有傳質(zhì)效率高、反應(yīng)面積大、可精確控制反應(yīng)條件等優(yōu)勢，與太陽能驅(qū)動系統(tǒng)耦合后，能夠?yàn)楣?- 電協(xié)同催化產(chǎn)氫提供更高效的反應(yīng)平臺 。深入研究該耦合系統(tǒng)對于推動氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

二、光 - 電協(xié)同催化產(chǎn)氫原理

（1）光催化產(chǎn)氫原理

當(dāng)能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子照射到半導(dǎo)體光催化劑表面時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，形成光生電子 - 空穴對 。在電場作用或濃度梯度驅(qū)動下，光生電子和空穴分別遷移到催化劑表面的不同位置，其中電子參與水的還原反應(yīng)生成氫氣，空穴則參與水的氧化反應(yīng)或與犧牲劑發(fā)生反應(yīng) 。常見的光催化劑如 TiO?、CdS、ZnO 等，具有合適的能帶結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)光生載流子的產(chǎn)生和分離，但在實(shí)際應(yīng)用中，光生載流子的快速復(fù)合限制了其產(chǎn)氫效率 。

（2）電催化產(chǎn)氫原理

電催化產(chǎn)氫是在電解池中，通過外加電場促使水發(fā)生氧化還原反應(yīng)。在陰極，水分子得到電子被還原為氫氣，其反應(yīng)式為 2H?O + 2e?→ H?↑ + 2OH?（堿性介質(zhì)）或 2H? + 2e?→ H?↑（酸性介質(zhì)） 。電催化劑的作用是降低反應(yīng)的過電位，提高反應(yīng)速率。貴金屬催化劑如 Pt 對析氫反應(yīng)具有優(yōu)異的催化活性，但成本高昂限制了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，開發(fā)高效、低成本的非貴金屬電催化劑如過渡金屬磷化物、硫化物等成為研究熱點(diǎn) 。

（3）光 - 電協(xié)同催化產(chǎn)氫機(jī)制

光 - 電協(xié)同催化產(chǎn)氫并非簡單的光催化與電催化疊加，而是二者相互協(xié)同作用。在耦合系統(tǒng)中，光催化劑吸收太陽能產(chǎn)生光生電子 - 空穴對，電催化過程產(chǎn)生的電場能夠促進(jìn)光生載流子的分離，減少其復(fù)合幾率 。同時(shí)，光催化過程中產(chǎn)生的活性物種可能參與電催化反應(yīng)，改變電極表面的反應(yīng)動力學(xué) 。例如，在某些體系中，光生空穴氧化水產(chǎn)生的羥基自由基（?OH）能夠加速電極表面的氧化反應(yīng)，從而間接促進(jìn)陰極的析氫反應(yīng) 。這種協(xié)同效應(yīng)使得產(chǎn)氫效率高于單獨(dú)的光催化或電催化產(chǎn)氫，實(shí)現(xiàn)了太陽能與電能的高效利用 。

三、微通道電合成流動池與太陽能驅(qū)動耦合系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)架構(gòu)

微通道電合成流動池與太陽能驅(qū)動的耦合系統(tǒng)主要由太陽能收集部分、微通道電合成流動池、電極組件、電解質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)以及外部電路控制單元組成 。太陽能收集部分通常采用光伏電池板或聚光太陽能系統(tǒng)，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能 。微通道電合成流動池是反應(yīng)的核心區(qū)域，內(nèi)部設(shè)計(jì)有微通道結(jié)構(gòu)，可精確控制反應(yīng)流體的流動和傳質(zhì) 。電極組件包括陽極和陰極，分別承擔(dān)氧化和還原反應(yīng)，其材質(zhì)和結(jié)構(gòu)對產(chǎn)氫效率有重要影響 。電解質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將電解質(zhì)溶液輸送到流動池中，并維持反應(yīng)過程中的物質(zhì)平衡和溫度穩(wěn)定 。外部電路控制單元用于調(diào)節(jié)輸入的電能，實(shí)現(xiàn)對電催化反應(yīng)的精確控制 。

（2）關(guān)鍵組件設(shè)計(jì)

1. 太陽能收集裝置

光伏電池板是常見的太陽能收集裝置，其工作原理基于半導(dǎo)體的光伏效應(yīng) 。在選擇光伏電池板時(shí)，需考慮其光電轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性和成本等因素 。單晶硅光伏電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，但成本相對較高；多晶硅光伏電池成本較低，轉(zhuǎn)換效率也能滿足一定需求 。聚光太陽能系統(tǒng)則通過反射鏡或透鏡將太陽光聚焦到較小的面積上，提高光的能量密度，可與高效的光熱 - 光電轉(zhuǎn)換裝置結(jié)合使用 。例如，碟式聚光太陽能系統(tǒng)能夠?qū)⑻柲芫劢沟轿⑿退固亓职l(fā)動機(jī)或光伏電池上，實(shí)現(xiàn)高效的太陽能到電能的轉(zhuǎn)換 。

2. 微通道電合成流動池

微通道電合成流動池的設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧傳質(zhì)、傳熱和反應(yīng)效率 。微通道的尺寸通常在幾十微米到幾百微米之間，較小的通道尺寸能夠增加反應(yīng)面積，提高傳質(zhì)效率 。通道的形狀可以是矩形、圓形或其他特殊形狀，不同形狀對流體流動和反應(yīng)分布有不同影響 。例如，矩形通道便于加工和集成，圓形通道在流體力學(xué)上具有更好的穩(wěn)定性 。流動池的材質(zhì)需具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性和透光性（若涉及光催化反應(yīng)），常見的材料有玻璃、聚合物和陶瓷等 。玻璃具有良好的透光性和化學(xué)穩(wěn)定性，適合用于對透光要求較高的光 - 電協(xié)同反應(yīng)；聚合物材料如聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有良好的柔韌性和加工性能，便于制作復(fù)雜的微通道結(jié)構(gòu) 。

3. 電極

電極材料的選擇至關(guān)重要，需具備高催化活性、良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性 。對于陰極，除了上述提到的貴金屬和非貴金屬催化劑外，還可采用復(fù)合材料來提高性能 。例如，將過渡金屬與碳材料復(fù)合，如碳納米管負(fù)載的鈷基催化劑，能夠提高催化劑的分散性和導(dǎo)電性，增強(qiáng)催化活性 。陽極在產(chǎn)氫過程中主要發(fā)生水的氧化反應(yīng)，常用的陽極材料有 RuO?、IrO?等金屬氧化物，它們在酸性或堿性電解質(zhì)中都具有較好的催化活性和穩(wěn)定性 。為了進(jìn)一步提高電極性能，可對電極表面進(jìn)行修飾，如采用納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加比表面積，或引入助催化劑改善反應(yīng)動力學(xué) 。

（3）工作流程

在耦合系統(tǒng)工作時(shí)，太陽能收集裝置將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并輸入到微通道電合成流動池中 。電解質(zhì)溶液在循環(huán)系統(tǒng)的驅(qū)動下流入流動池，在電極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng) 。同時(shí)，若光催化劑存在于體系中（如光 - 電協(xié)同催化體系），光催化劑吸收太陽能產(chǎn)生光生電子 - 空穴對，與電催化過程相互協(xié)同促進(jìn)產(chǎn)氫反應(yīng) 。產(chǎn)生的氫氣通過氣體分離裝置從反應(yīng)體系中分離出來，而電解質(zhì)溶液則經(jīng)過處理后循環(huán)回到流動池，繼續(xù)參與反應(yīng) 。外部電路控制單元根據(jù)反應(yīng)需求實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸入電能的大小和方向，確保系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行 。

四、研究進(jìn)展與成果

（1）產(chǎn)氫效率提升

近年來，通過優(yōu)化耦合系統(tǒng)的各個(gè)組件和反應(yīng)條件，產(chǎn)氫效率得到了顯著提升 。在光催化劑方面，研究人員開發(fā)了一系列新型光催化劑，如基于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的光催化劑，其具有可調(diào)節(jié)的能帶結(jié)構(gòu)和較高的光吸收系數(shù)，能夠提高光生載流子的產(chǎn)生效率 。在電催化劑領(lǐng)域，新型非貴金屬電催化劑的出現(xiàn)降低了成本并提高了催化活性 。例如，一些過渡金屬氮化物在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出與貴金屬相當(dāng)?shù)奈鰵浯呋钚?。通過合理設(shè)計(jì)微通道結(jié)構(gòu)和優(yōu)化流體動力學(xué)條件，能夠增強(qiáng)傳質(zhì)效率，減少反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散限制，從而提高產(chǎn)氫效率 。有研究表明，采用三維多孔電極結(jié)構(gòu)結(jié)合微通道流動池，可使產(chǎn)氫電流密度提高數(shù)倍 。

（2）穩(wěn)定性增強(qiáng)

穩(wěn)定性是耦合系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一 。針對光催化劑在反應(yīng)過程中的光腐蝕問題，研究人員通過表面修飾、復(fù)合等方法提高其穩(wěn)定性 。如在 TiO?光催化劑表面包覆一層 SiO?或 Al?O?保護(hù)膜，能夠有效抑制光腐蝕，延長催化劑使用壽命 。電極材料的穩(wěn)定性也得到了關(guān)注，通過改進(jìn)電極制備工藝和選擇合適的電解質(zhì)，可減少電極的溶解和腐蝕 。例如，采用熱噴涂技術(shù)制備的金屬氧化物電極，在長期運(yùn)行過程中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性 。此外，優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，如控制反應(yīng)溫度、電流密度等，也有助于提高系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性 。

（3）成本降低策略

降低成本是推動光 - 電協(xié)同催化產(chǎn)氫技術(shù)商業(yè)化的重要目標(biāo) 。在太陽能收集裝置方面，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光伏電池板的成本不斷下降 。同時(shí)，開發(fā)低成本的聚光太陽能系統(tǒng)和新型太陽能轉(zhuǎn)換材料，如有機(jī)太陽能電池，有望進(jìn)一步降低太陽能收集成本 。在電極材料方面，采用非貴金屬催化劑替代貴金屬催化劑是降低成本的主要途徑 。此外，通過優(yōu)化電極制備工藝，提高材料利用率，也能有效降低電極成本 。微通道電合成流動池的大規(guī)模制備技術(shù)和材料選擇優(yōu)化，如采用低成本的聚合物材料制作微通道，也有助于降低系統(tǒng)整體成本 。

五、面臨挑戰(zhàn)

（1）光催化劑與電催化劑的協(xié)同匹配

雖然光 - 電協(xié)同催化產(chǎn)氫具有優(yōu)勢，但光催化劑與電催化劑之間的協(xié)同匹配仍存在問題 。不同催化劑的能帶結(jié)構(gòu)、反應(yīng)動力學(xué)和穩(wěn)定性等特性差異較大，難以實(shí)現(xiàn)最佳的協(xié)同效果 。例如，光催化劑產(chǎn)生的光生載流子與電催化劑表面的反應(yīng)活性位點(diǎn)之間的電荷轉(zhuǎn)移效率不高，導(dǎo)致協(xié)同作用未能充分發(fā)揮 。此外，光催化劑和電催化劑在不同的反應(yīng)條件下（如 pH 值、溫度等）可能表現(xiàn)出不同的性能，如何在同一體系中兼顧二者的最佳反應(yīng)條件是一個(gè)挑戰(zhàn) 。

（2）系統(tǒng)長期運(yùn)行穩(wěn)定性

盡管在穩(wěn)定性方面取得了一定進(jìn)展，但耦合系統(tǒng)在長期運(yùn)行過程中仍面臨諸多問題 。光催化劑的光腐蝕和失活、電極的磨損和中毒、電解質(zhì)的降解等都會影響系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性 。例如，在一些光催化體系中，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，光催化劑表面會吸附反應(yīng)產(chǎn)物或雜質(zhì)，導(dǎo)致活性位點(diǎn)被占據(jù)，催化活性下降 。電極在長期的電化學(xué)反應(yīng)過程中，可能會發(fā)生金屬溶解、結(jié)構(gòu)變化等問題，影響其催化性能 。此外，系統(tǒng)的密封性能、流體輸送系統(tǒng)的可靠性等也會對長期運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響 。

（3）成本效益分析

雖然在降低成本方面采取了多種策略，但目前光 - 電協(xié)同催化產(chǎn)氫系統(tǒng)的成本仍然較高，限制了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用 。太陽能收集裝置、電極材料、微通道流動池等組件的制備和維護(hù)成本較高，且產(chǎn)氫效率尚未達(dá)到能夠與傳統(tǒng)制氫方法在成本上競爭的水平 。此外，系統(tǒng)的規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)還不夠成熟，導(dǎo)致單位產(chǎn)氫成本難以進(jìn)一步降低 。在進(jìn)行成本效益分析時(shí)，還需考慮系統(tǒng)的占地面積、運(yùn)行維護(hù)的復(fù)雜性等因素，這些因素也會增加總體成本 。

六、未來發(fā)展方向

（1）新型催化劑的開發(fā)與優(yōu)化

未來應(yīng)致力于開發(fā)新型的光催化劑和電催化劑，以進(jìn)一步提高協(xié)同催化性能 。通過理論計(jì)算和材料設(shè)計(jì)，尋找具有更合適能帶結(jié)構(gòu)、更高催化活性和穩(wěn)定性的催化劑材料 。例如，利用人工智能輔助材料設(shè)計(jì)，篩選出潛在的高性能催化劑 。同時(shí)，對現(xiàn)有的催化劑進(jìn)行優(yōu)化，如通過納米結(jié)構(gòu)調(diào)控、表面修飾等手段，提高催化劑的性能 。此外，開發(fā)能夠在寬 pH 值范圍和不同溫度條件下穩(wěn)定工作的催化劑，以適應(yīng)更廣泛的反應(yīng)條件，也是重要的研究方向 。

（2）系統(tǒng)集成與優(yōu)化

加強(qiáng)耦合系統(tǒng)的集成與優(yōu)化研究，提高系統(tǒng)的整體性能和穩(wěn)定性 。通過多物理場模擬，深入研究光、電、熱、流體等過程在系統(tǒng)中的相互作用機(jī)制，優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù) 。例如，優(yōu)化微通道流動池的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更均勻的光分布和流體流動，提高反應(yīng)效率 。同時(shí)，開發(fā)智能化的控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)外界環(huán)境條件（如光照強(qiáng)度、溫度等）和反應(yīng)過程中的參數(shù)變化，實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，確保系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài) 。

（3）規(guī)?；瘧?yīng)用與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

推動光 - 電協(xié)同催化產(chǎn)氫技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展 。建立示范工程，驗(yàn)證技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的可行性和可靠性 。加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，促進(jìn)技術(shù)的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用 。通過規(guī)?；a(chǎn)降低系統(tǒng)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能 。同時(shí)，完善相關(guān)的政策法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供良好的政策環(huán)境 。此外，還需加強(qiáng)與其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)（如儲能產(chǎn)業(yè)、燃料電池產(chǎn)業(yè)等）的協(xié)同發(fā)展，形成完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈 。

七、結(jié)論

      微通道電合成流動池與太陽能驅(qū)動的耦合系統(tǒng)在光 - 電協(xié)同催化產(chǎn)氫領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力 。通過光催化與電催化的協(xié)同作用，該系統(tǒng)能夠有效提高太陽能到氫能的轉(zhuǎn)化效率，為可持續(xù)制氫提供了新的途徑 。盡管目前在催化劑協(xié)同匹配、系統(tǒng)穩(wěn)定性和成本效益等方面仍面臨挑戰(zhàn)，但隨著新型催化劑的開發(fā)、系統(tǒng)集成與優(yōu)化技術(shù)的進(jìn)步以及規(guī)?；瘧?yīng)用的推進(jìn)，這些問題有望逐步得到解決 。未來，光 - 電協(xié)同催化產(chǎn)氫技術(shù)將在全球能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用，為實(shí)現(xiàn)清潔能源目標(biāo)做出貢獻(xiàn) 。

產(chǎn)品展示

    SSC-ECF80系列電合成微通道流動池，具有高效率、高穩(wěn)定、長壽命的特性，適用于氣液流動條件下的電催化反應(yīng)，用于電化合成、電催化二氧化碳、電催化合成氨、電合成雙氧水等。

產(chǎn)品優(yōu)勢：

1)  池體采用雙密封技術(shù)，密封效果極加，不漏液。

2)  流道材質(zhì)根據(jù)客戶使用情況可以選擇，鈦合金，石墨或鍍金可選。

3)  多種流道可以選擇，標(biāo)配為蛇形通道，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求可以定做不同流動樣式。

4)   電極有效活性面積可選擇行多。

5)   管路接頭均為標(biāo)準(zhǔn)接頭，可選擇多種管路。

6)   可根據(jù)需求定制各種池體結(jié)構(gòu)。