一、引言

      在全球能源需求持續(xù)增長和環(huán)境問題日益嚴峻的雙重壓力下，清潔能源的開發(fā)與利用成為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。光合成反應器作為一種能夠利用太陽能驅動化學反應的創(chuàng)新裝置，在清潔能源領域展現(xiàn)出了巨大的應用潛力，尤其是在制氫與 CO?資源化方面，為解決能源危機和應對氣候變化提供了新的途徑。

二、光合成反應器用于制氫

2.1 光解水制氫

      光解水制氫是利用太陽能將水分解為氫氣和氧氣的過程，其基本原理基于半導體光催化反應。當具有合適能帶結構的半導體光催化劑受到能量大于其帶隙能的光照時，價帶電子被激發(fā)躍遷至導帶，在價帶留下空穴，形成光生電子 - 空穴對。這些光生載流子遷移至催化劑表面，分別參與水的還原產氫和氧化產氧反應。

      為了實現(xiàn)高效的光解水制氫，多種類型的光合成反應器被研發(fā)出來。其中，平板式反應器結構簡單，具有較大的光照面積，利于光的吸收，但存在傳質效率較低的問題。例如，早期的一些 TiO?平板式光反應器，雖能實現(xiàn)光解水反應，但產氫速率受限。管式反應器則通過優(yōu)化流體流動路徑，提高了傳質效率。如采用納米結構 TiO?涂層的管式反應器，在一定程度上提升了產氫性能。而微通道反應器憑借其微小的通道尺寸，極大地增加了光催化劑與反應溶液的接觸面積，同時實現(xiàn)了高效的傳熱和傳質，顯著提高了光解水制氫的效率。美國 NREL 研發(fā)的鈣鈦礦微通道反應器，在太陽能到氫能（STH）轉化效率方面取得了重大突破，達到 18%，且產氫成本降至 $2.8/kg。

      為進一步提升光解水制氫效率，研究人員采取了多種策略。一方面，通過對光催化劑進行改性，如構建異質結、摻雜金屬或非金屬元素等，優(yōu)化光催化劑的能帶結構，提高光生載流子的分離效率和遷移速率。例如，將 BiVO?與其他半導體復合形成異質結光催化劑，在光解水制氫中表現(xiàn)出比單一 BiVO?更高的活性。另一方面，改進反應器的設計和操作條件，如優(yōu)化光源分布、調控反應溫度和壓力、選擇合適的犧牲劑等。采用多光源協(xié)同照射的方式，可增強反應器內光的均勻性，提高光利用效率；合適的犧牲劑能夠消耗光生空穴，促進光生電子參與產氫反應，提升產氫速率。

2.2 光合生物制氫

      光合生物制氫是利用光合微生物（如藻類和光合細菌）在光照條件下，借助光合作用將水分解產生氫氣的過程。其原理涉及光合作用的多個環(huán)節(jié)，光合微生物首先通過光合色素吸收光能，將光能轉化為化學能并儲存于 ATP 和 NADPH 中。在產氫過程中，這些能量驅動水分解為氫離子和電子，氫離子和電子在氫酶的作用下結合生成氫氣。

      用于光合生物制氫的反應器類型多樣。開放式池塘反應器成本較低，可利用自然光照和大面積培養(yǎng)光合微生物，但易受外界環(huán)境因素（如溫度、光照強度、雜菌污染等）影響，產氫穩(wěn)定性較差。密閉式光生物反應器則能較好地控制反應條件，減少雜菌污染風險，提高光合生物生長和產氫的穩(wěn)定性。例如，一些采用透明材質制作的圓柱型密閉光生物反應器，通過精確控制光照、溫度、氣體供應等條件，為光合微生物提供了適宜的生長環(huán)境。

      為提高光合生物制氫的性能，研究主要集中在優(yōu)化光合微生物的培養(yǎng)條件和對微生物進行基因工程改造。優(yōu)化培養(yǎng)條件包括調節(jié)培養(yǎng)液的營養(yǎng)成分、控制光照強度和周期、維持適宜的溫度和 pH 值等。合適的營養(yǎng)成分能夠滿足光合微生物生長和產氫的需求，如適當增加氮源可促進藻類的生長和產氫能力。通過基因工程手段，對光合微生物的氫酶基因進行修飾或調控相關代謝途徑，有望增強微生物的產氫效率和穩(wěn)定性。例如，敲除某些抑制產氫的基因，或者過表達與產氫相關的關鍵基因，能夠提高光合微生物的產氫能力。

三、光合成反應器用于 CO?資源化

3.1 CO?還原為高附加值化學品

      光合成反應器將 CO?轉化為高附加值化學品，模擬了自然界中植物的光合作用過程，但其反應機制更為復雜。在光催化劑存在下，光激發(fā)產生的電子 - 空穴對參與 CO?的還原反應，通過一系列復雜的化學反應路徑，將 CO?逐步轉化為一氧化碳（CO）、甲烷（CH?）、甲醇（CH?OH）、乙醇（C?H?OH）等化學品。這一過程不僅需要合適的光催化劑來吸收光能并促進電子轉移，還需要精確控制反應條件，以實現(xiàn)目標產物的高選擇性合成。

      目前，用于 CO?光還原的催化劑體系種類繁多。金屬氧化物催化劑如 TiO?、ZnO 等，因其成本低、穩(wěn)定性好而被廣泛研究，但它們對可見光的吸收能力較弱，光催化活性有待提高。為改善這一問題，研究人員通過對金屬氧化物進行表面修飾、摻雜其他元素或與其他半導體復合等方式，拓展其光響應范圍并提高催化活性。例如，在 TiO?表面負載貴金屬納米顆粒（如 Pt、Au 等），可增強光生載流子的分離效率，促進 CO?還原反應。半導體量子點催化劑（如 CdS、CuInS?等）具有量子尺寸效應，能有效調節(jié)能帶結構，在 CO?光還原中表現(xiàn)出較高的活性和選擇性。一些新型的有機半導體材料和金屬有機框架（MOF）材料也因其結構可設計性強、光吸收性能優(yōu)異等特點，在 CO?資源化領域展現(xiàn)出巨大潛力。中科院上海高研院研發(fā)的 Cu?O - ZIF - 8 管式反應器，在 CO?轉化為乙醇的反應中，乙醇選擇性高達 85%，產率達到 2.1 mmol/g/h。

      在實際應用中，光合成反應器將 CO?轉化為高附加值化學品面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，CO?分子化學性質穩(wěn)定，其活化和轉化需要較高的能量，且反應過程中易產生多種副產物，導致目標產物選擇性難以提高。其次，光催化劑的穩(wěn)定性和長期運行性能有待進一步提升，在反應過程中可能會發(fā)生光腐蝕、活性位點中毒等問題，影響催化劑的使用壽命和反應效率。為應對這些挑戰(zhàn)，研究人員不斷探索新的催化劑體系和反應工藝。通過合理設計催化劑的微觀結構，增加活性位點數(shù)量和穩(wěn)定性；開發(fā)原位監(jiān)測和調控反應過程的技術，實時優(yōu)化反應條件，提高目標產物的選擇性和產率。

3.2 實例分析

      以荷蘭 PureWater Solutions 的 TiO?/ 石墨烯平板反應器為例，該反應器在處理含有機污染物和 CO?的體系時，展現(xiàn)出了良好的協(xié)同作用。在光照條件下，TiO?光催化劑一方面利用光生空穴氧化降解四環(huán)素等有機污染物，60 分鐘內降解率大于 99.5%，礦化率達到 98%；另一方面，光生電子參與 CO?的還原反應，實現(xiàn)了有機污染物降解和 CO?資源化的同步進行。這種協(xié)同處理方式不僅提高了反應器的綜合利用效率，還為解決環(huán)境污染物和 CO?減排問題提供了新的思路。

      中國威立雅環(huán)境的 ZnO 微通道系統(tǒng)則在 CO?資源化與廢水處理結合方面取得了成果。該系統(tǒng)利用 ZnO 微通道對廢水中 Pb2?具有較高的吸附容量（達 450 mg/g），且在再生循環(huán) 20 次后無明顯損耗的特性，實現(xiàn)了廢水的凈化。同時，通過在微通道內引入光催化體系，利用吸附在 ZnO 表面的 CO?進行光還原反應，將 CO?轉化為有價值的化學品，達到了資源回收和環(huán)境治理的雙重目的。

四、挑戰(zhàn)與展望

      光合成反應器在制氫與 CO?資源化應用中雖取得了顯著進展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。在制氫方面，光解水制氫效率和穩(wěn)定性有待進一步提高，目前多數(shù)光催化劑的光生載流子復合率較高，導致能量轉換效率受限；光合生物制氫則面臨微生物生長緩慢、產氫量低以及反應器成本較高等問題。在 CO?資源化方面，CO?還原產物的選擇性和產率難以同時兼顧，且光催化劑在復雜反應體系中的長期穩(wěn)定性不足。

      為應對這些挑戰(zhàn)，未來的研究方向可從以下幾個方面展開。在材料研發(fā)上，致力于開發(fā)新型高效的光催化劑，通過理論計算和實驗相結合的方法，深入理解催化劑的結構與性能關系，設計具有更優(yōu)能帶結構、高活性和穩(wěn)定性的光催化劑。在反應器設計方面，運用先進的模擬技術優(yōu)化反應器的結構和操作參數(shù)，提高光的利用效率、傳質和傳熱效率，降低反應器成本。此外，加強多學科交叉融合，將生物學、化學、材料學、工程學等學科知識有機結合，為光合成反應器的創(chuàng)新發(fā)展提供新的思路和方法。隨著技術的不斷進步，光合成反應器有望在清潔能源領域發(fā)揮更大的作用，為實現(xiàn)全球能源可持續(xù)發(fā)展和碳中和目標提供有力支撐。

產品展示

      SSC-PECRS電催化連續(xù)流反應系統(tǒng)主要用于電催化反應和光電催化劑的性能評價，可以實現(xiàn)連續(xù)流和循環(huán)連續(xù)流實驗，配置反應液體控溫系統(tǒng)，實現(xiàn)主要用于光電催化CO2還原反應全自動在線檢測系統(tǒng)分析，光電催化、N2催化還原，電催化分析、燃料電池、電解水等。

      SSC-PECRS電催化連續(xù)流反應系統(tǒng)將氣路液路系統(tǒng)、光電催化反應池、在線檢測設備等進行智能化、微型化、模塊化設計并集成為一套裝置，通過兩路氣路和兩路液路的不同組合實現(xiàn)電催化分析，并采用在線檢測體系對反應產物進行定性定量分析。可以適配市面上多數(shù)相關的電解池，也可以根據實驗需求定制修改各種電催化池。