寬光譜響應(yīng)光電流動(dòng)反應(yīng)池作為光催化與流動(dòng)化學(xué)交叉領(lǐng)域的核心器件，其性能提升依賴催化劑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與光吸收特性的協(xié)同優(yōu)化。本文系統(tǒng)闡述寬光譜響應(yīng)催化劑的分子設(shè)計(jì)策略、光電極微結(jié)構(gòu)調(diào)控對(duì)光吸收的強(qiáng)化機(jī)制，揭示催化劑 - 光電極 - 流動(dòng)體系的構(gòu)效關(guān)聯(lián)規(guī)律。通過能級(jí)工程、界面調(diào)控與流場優(yōu)化的多維度協(xié)同，實(shí)現(xiàn)光吸收范圍從紫外區(qū)向可見光及近紅外區(qū)拓展，同時(shí)降低光生載流子復(fù)合損耗、提升傳質(zhì)效率。結(jié)合密度泛函理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)表征，明確催化劑電子結(jié)構(gòu)、光電極陷光特性與流動(dòng)參數(shù)對(duì)反應(yīng)效率的耦合影響機(jī)制，為高效光電流動(dòng)反應(yīng)池的設(shè)計(jì)與規(guī)模化應(yīng)用提供理論支撐和技術(shù)參考。

1 引言

      能源危機(jī)與環(huán)境問題的加劇推動(dòng)了太陽能轉(zhuǎn)化技術(shù)的快速發(fā)展，光電流動(dòng)反應(yīng)池融合光催化的綠色特性與流動(dòng)反應(yīng)的高效傳質(zhì)優(yōu)勢，在清潔能源制備、污染物降解等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。傳統(tǒng)光電流動(dòng)反應(yīng)池存在光吸收范圍窄、催化劑量子效率低、規(guī)模化后性能衰減等瓶頸，核心癥結(jié)在于催化劑結(jié)構(gòu)與光吸收特性的不匹配，以及流動(dòng)體系中光 - 電 - 化學(xué)耦合效應(yīng)的調(diào)控缺失。

     寬光譜響應(yīng)是提升太陽能利用率的關(guān)鍵，需通過催化劑分子設(shè)計(jì)突破傳統(tǒng)材料的光吸收局限；而流動(dòng)體系的動(dòng)態(tài)特性要求光吸收優(yōu)化需兼顧傳質(zhì)效率與電荷傳輸動(dòng)力學(xué)。構(gòu)效關(guān)系作為連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能輸出的核心紐帶，其本質(zhì)是催化劑電子結(jié)構(gòu)、光電極微結(jié)構(gòu)與流動(dòng)參數(shù)對(duì)光吸收 - 電荷分離 - 表面反應(yīng)全鏈條的協(xié)同調(diào)控規(guī)律。本文聚焦催化劑設(shè)計(jì)與光吸收優(yōu)化兩大核心維度，系統(tǒng)解析寬光譜響應(yīng)光電流動(dòng)反應(yīng)池的構(gòu)效關(guān)聯(lián)機(jī)制，為器件性能突破提供新思路。

2 寬光譜響應(yīng)催化劑的設(shè)計(jì)策略與構(gòu)效基礎(chǔ)

2.1 能級(jí)工程導(dǎo)向的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

     催化劑的光響應(yīng)范圍本質(zhì)由其電子結(jié)構(gòu)決定，通過精準(zhǔn)調(diào)控前線軌道能級(jí)差可實(shí)現(xiàn)寬光譜吸收。何軍教授團(tuán)隊(duì)通過理論計(jì)算指導(dǎo)的能級(jí)匹配設(shè)計(jì)，構(gòu)建光敏配體與金屬氧簇協(xié)同的一體化 MOF 材料，突破傳統(tǒng)兩步式配體 - 簇電荷轉(zhuǎn)移（LCCT）限制，實(shí)現(xiàn)電子從配體高占據(jù)軌道（HOMO）到金屬簇低空軌道（LUMO）的直接躍遷，使光吸收紅移至可見光區(qū)。這種分子層面的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，在無需光敏劑、犧牲劑輔助的情況下，將光催化全解水產(chǎn)氫速率提升 5 倍以上，驗(yàn)證了能級(jí)工程對(duì)寬光譜響應(yīng)與催化活性的協(xié)同強(qiáng)化作用。

     對(duì)于半導(dǎo)體基催化劑，異相結(jié)構(gòu)建是優(yōu)化能級(jí)結(jié)構(gòu)的有效路徑。通過耦合窄帶隙半導(dǎo)體與寬禁帶材料形成異相結(jié)，可拓寬光吸收范圍并構(gòu)建電荷單向轉(zhuǎn)移通道，抑制載流子復(fù)合。李燦院士團(tuán)隊(duì)的研究證實(shí)，異相結(jié)光電極中光生電荷可依照 PEC 器件電荷流動(dòng)原則定向遷移，顯著提升分離效率。如 CdSe 量子點(diǎn)修飾的 TiO?復(fù)合材料，通過量子點(diǎn)與 TiO?的能級(jí)匹配，將光吸收擴(kuò)展至可見光區(qū)，其降解羅丹明 B 的反應(yīng)速率常數(shù)是純相 TiO?的 52.5 倍。

2.2 界面調(diào)控與負(fù)載策略優(yōu)化

     催化劑與光電極的界面接觸質(zhì)量直接影響光生電荷傳輸效率，進(jìn)而關(guān)聯(lián)寬光譜響應(yīng)的實(shí)際轉(zhuǎn)化效果。浙江大學(xué)單冰課題組設(shè)計(jì)的聚合物分子光電極，通過聚咔唑與 PEDOT 鏈之間的 π-π 相互作用縮短電荷傳輸鏈間距，同時(shí)利用吡啉光敏劑與硫化鎳催化劑的直接電子轉(zhuǎn)移機(jī)制，避免傳統(tǒng)兩步轉(zhuǎn)移的能量損耗，實(shí)現(xiàn) 34.4% 的外量子效率。這種界面調(diào)控策略通過增強(qiáng)催化劑與光敏劑的接觸緊密性，確保寬光譜吸收產(chǎn)生的光生電荷快速分離，為構(gòu)效協(xié)同提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

      催化劑負(fù)載方式需兼顧分散性與穩(wěn)定性，避免團(tuán)聚導(dǎo)致的光吸收屏蔽與活性位點(diǎn)減少。采用原位化學(xué)聚合、量子點(diǎn)修飾等方法，可實(shí)現(xiàn)催化劑在光電極表面的均勻分散，同時(shí)構(gòu)建穩(wěn)定的電荷傳輸通道。氮摻雜碳修飾的 TiO?復(fù)合材料（CTS/TiO?）通過殼聚糖衍生的碳氮源原位負(fù)載，不僅將光吸收范圍擴(kuò)展至 650nm，還在可見光下實(shí)現(xiàn) 96.8% 的羅丹明 B 降解率，展現(xiàn)出負(fù)載策略對(duì)寬光譜響應(yīng)與催化活性的同步提升作用。

3 光吸收優(yōu)化的關(guān)鍵路徑與強(qiáng)化機(jī)制

3.1 光電極微結(jié)構(gòu)陷光設(shè)計(jì)

      光電極表面微結(jié)構(gòu)調(diào)控是提升寬光譜吸收效率的核心手段，通過增加光程長度、減少光反射實(shí)現(xiàn)光吸收強(qiáng)化。桂林電子科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的表面凹陷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用陷光效應(yīng)減少光逃逸，其光吸收提升優(yōu)于單純?cè)龃蟊砻娣e的金字塔結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化深寬比可進(jìn)一步降低反射率、延長光程。這種微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過物理機(jī)制強(qiáng)化光捕獲，與催化劑的寬光譜響應(yīng)特性形成協(xié)同，為全光譜利用率提升提供結(jié)構(gòu)支撐。

      光子晶體材料憑借獨(dú)特的光學(xué)特性成為光吸收優(yōu)化的重要載體。福州大學(xué)團(tuán)隊(duì)制備的 TiO?、ZnO 光子晶體光催化劑，通過調(diào)控晶格結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光子的選擇性反射與透射，抑制載流子輻射復(fù)合，其對(duì)甲基橙、羅丹明 B 的降解性能優(yōu)于傳統(tǒng) P25 催化劑。光子晶體與寬光譜響應(yīng)催化劑的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)光吸收與電荷分離的協(xié)同優(yōu)化，為構(gòu)效關(guān)系的深化提供新路徑。

3.2 流動(dòng)體系的光吸收協(xié)同優(yōu)化

     光電流動(dòng)反應(yīng)池的動(dòng)態(tài)特性要求光吸收優(yōu)化需與流場參數(shù)相匹配，通過 CFD 數(shù)值模擬可精準(zhǔn)調(diào)控流動(dòng)條件以提升光吸收效率。研究表明，催化劑膜表面積、流場構(gòu)型、液固比（S/V）及 inlet 參數(shù)對(duì)光吸收與傳質(zhì)效率具有顯著影響，當(dāng) inlet 流量 10mL/min、直徑 10mm、S/V 值 0.034m?1 時(shí)，四環(huán)素鹽酸鹽降解率可達(dá) 96.34%。這種流場優(yōu)化通過提升反應(yīng)體系的均勻性，避免局部光遮擋與傳質(zhì)受限，確保寬光譜吸收的均勻性與持續(xù)性。

      規(guī)模化應(yīng)用中，光電極尺寸擴(kuò)大易導(dǎo)致電荷傳輸損耗與光吸收不均，需通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)放大效應(yīng)最小化。單冰課題組開發(fā)的 25cm2 擴(kuò)大化光電極，通過分散的電荷傳輸路徑設(shè)計(jì)，使效率損耗低于 1%，其核心在于光電極網(wǎng)絡(luò)中 PEDOT 鏈間距（52nm）遠(yuǎn)小于空穴傳輸長度（176nm），確保寬光譜吸收產(chǎn)生的電荷高效傳輸。這種規(guī)模化優(yōu)化策略為寬光譜響應(yīng)光電流動(dòng)反應(yīng)池的實(shí)際應(yīng)用提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

4 構(gòu)效關(guān)系的調(diào)控規(guī)律與協(xié)同機(jī)制

4.1 電子結(jié)構(gòu) - 光吸收 - 催化活性的關(guān)聯(lián)規(guī)律

      寬光譜響應(yīng)光電流動(dòng)反應(yīng)池的構(gòu)效關(guān)系核心的是催化劑電子結(jié)構(gòu)與光吸收特性的匹配規(guī)律。催化劑的能帶寬度決定光響應(yīng)閾值，通過元素?fù)诫s、異相結(jié)構(gòu)建等方式調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)光吸收范圍從紫外區(qū)向可見光及近紅外區(qū)拓展；而能級(jí)位置的精準(zhǔn)匹配則確保光生電荷有效分離，避免寬光譜吸收產(chǎn)生的載流子復(fù)合損耗。密度泛函理論計(jì)算與時(shí)間分辨光譜表征證實(shí)，直接電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制相較于間接轉(zhuǎn)移可顯著提升載流子分離效率，是構(gòu)效協(xié)同的關(guān)鍵熱力學(xué)基礎(chǔ)。

4.2 微結(jié)構(gòu) - 流場 - 反應(yīng)效率的耦合效應(yīng)

      光電極微結(jié)構(gòu)與流動(dòng)體系的動(dòng)態(tài)耦合直接影響構(gòu)效關(guān)系的實(shí)際輸出。凹陷結(jié)構(gòu)、光子晶體等微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)化光吸收，而流場參數(shù)優(yōu)化則提升傳質(zhì)效率，兩者協(xié)同確保寬光譜吸收產(chǎn)生的活性物種快速與反應(yīng)物接觸，避免表面反應(yīng)受限。當(dāng)催化劑分散均勻性、光電極陷光特性與流場均勻性達(dá)到佳匹配時(shí)，可實(shí)現(xiàn)光吸收 - 電荷分離 - 傳質(zhì) - 反應(yīng)的全鏈條協(xié)同，如模塊化設(shè)計(jì)的光電流動(dòng)反應(yīng)池通過結(jié)構(gòu)集成，在規(guī)模化條件下仍保持高效的寬光譜響應(yīng)與催化性能。

5 結(jié)論與展望

      寬光譜響應(yīng)光電流動(dòng)反應(yīng)池的構(gòu)效關(guān)系本質(zhì)是催化劑設(shè)計(jì)、光吸收優(yōu)化與流動(dòng)體系調(diào)控的多維度協(xié)同。通過能級(jí)工程與界面調(diào)控的催化劑設(shè)計(jì)策略，可實(shí)現(xiàn)寬光譜吸收與高效電荷分離的同步；光電極微結(jié)構(gòu)陷光設(shè)計(jì)與流場優(yōu)化的結(jié)合，為光吸收效率提升提供物理支撐；而電子結(jié)構(gòu) - 光吸收 - 反應(yīng)效率的耦合規(guī)律，則為構(gòu)效關(guān)系的精準(zhǔn)調(diào)控提供理論依據(jù)。

      未來研究需聚焦三個(gè)方向：一是開發(fā)兼具寬光譜響應(yīng)、高穩(wěn)定性與低成本的新型催化劑，通過多元素?fù)诫s與復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)突破現(xiàn)有材料局限；二是構(gòu)建光 - 電 - 流場多場耦合的數(shù)值模擬模型，實(shí)現(xiàn)構(gòu)效關(guān)系的精準(zhǔn)預(yù)測與器件優(yōu)化；三是推進(jìn)模塊化與規(guī)模化技術(shù)開發(fā)，解決放大過程中的性能衰減問題。通過多學(xué)科交叉融合，進(jìn)一步深化構(gòu)效關(guān)系認(rèn)知，有望推動(dòng)寬光譜響應(yīng)光電流動(dòng)反應(yīng)池在清潔能源與環(huán)境治理領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

產(chǎn)品展示

     SSC-PEFC20光電流動(dòng)反應(yīng)池實(shí)現(xiàn)雙室二、三、四電極的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)雙光路照射，用于半導(dǎo)體材料的氣-固-液三相界面光電催化或電催化的性能評(píng)價(jià)，可應(yīng)用在流動(dòng)和循環(huán)光電催化N2、CO2還原反應(yīng)。反應(yīng)池的優(yōu)勢在于采用高純CO2為原料氣可以直接參與反應(yīng)，在催化劑表面形成氣-固-液三相界面的催化體系，并且配合整套體系可在流動(dòng)相狀態(tài)下不斷為催化劑表面提供反應(yīng)原料。

     SSC-PEFC20光電流動(dòng)反應(yīng)池解決了商業(yè)電催化CO2還原反應(yīng)存在的漏液、漏氣問題，采用全新的純鈦材質(zhì)池體，實(shí)現(xiàn)全新的外觀設(shè)計(jì)和更加方便的操作。既保證了實(shí)驗(yàn)原理的簡單可行，又提高了CO2還原反應(yīng)的催化活性，為實(shí)現(xiàn)CO2還原的工業(yè)化提供了可行方案。

產(chǎn)品優(yōu)勢：

SSC-PEFC20光電流動(dòng)反應(yīng)池優(yōu)勢：

    ● 半導(dǎo)體材料的電化學(xué)、光電催化反應(yīng)活性評(píng)價(jià)；

    ● 用于CO2還原光電催化、光電解水、光電降解、燃料電池等領(lǐng)域；                

    ● 微量反應(yīng)系統(tǒng)，極低的催化劑用量；

    ● 配置有耐150psi的石英光窗；

    ● 采用純鈦材質(zhì)，耐壓抗腐蝕；

    ● 導(dǎo)電電極根據(jù)需要可表面鍍金、鈀或鉑，導(dǎo)電性能佳，耐化學(xué)腐蝕；

     ● 光電催化池可與光源、GC-HF901（EPC）、電化學(xué)工作站、采樣系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)配合，搭建光電催化CO2還原系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測試分析。