一、引言

      在全球能源需求持續(xù)增長(zhǎng)和環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的雙重壓力下，清潔能源的開發(fā)與利用成為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。光合成反應(yīng)器作為一種能夠利用太陽能驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的創(chuàng)新裝置，在清潔能源領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，尤其是在制氫與 CO?資源化方面，為解決能源危機(jī)和應(yīng)對(duì)氣候變化提供了新的途徑。

二、光合成反應(yīng)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(dǎo)體光催化反應(yīng)。當(dāng)具有合適能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光催化劑受到能量大于其帶隙能的光照時(shí)，價(jià)帶電子被激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，在價(jià)帶留下空穴，形成光生電子 - 空穴對(duì)。這些光生載流子遷移至催化劑表面，分別參與水的還原產(chǎn)氫和氧化產(chǎn)氧反應(yīng)。

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

      為進(jìn)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(duì)光催化劑進(jìn)行改性，如構(gòu)建異質(zhì)結(jié)、摻雜金屬或非金屬元素等，優(yōu)化光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)，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(dǎo)體復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)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(jìn)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作條件，如優(yōu)化光源分布、調(diào)控反應(yīng)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(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)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(jìn)光生電子參與產(chǎn)氫反應(yīng)，提升產(chǎn)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(xì)菌）在光照條件下，借助光合作用將水分解產(chǎn)生氫氣的過程。其原理涉及光合作用的多個(gè)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(zhuǎn)化為化學(xué)能并儲(chǔ)存于 ATP 和 NADPH 中。在產(chǎn)氫過程中，這些能量驅(qū)動(dòng)水分解為氫離子和電子，氫離子和電子在氫酶的作用下結(jié)合生成氫氣。

      用于光合生物制氫的反應(yīng)器類型多樣。開放式池塘反應(yīng)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(qiáng)度、雜菌污染等）影響，產(chǎn)氫穩(wěn)定性較差。密閉式光生物反應(yīng)器則能較好地控制反應(yīng)條件，減少雜菌污染風(fēng)險(xiǎn)，提高光合生物生長(zhǎng)和產(chǎn)氫的穩(wěn)定性。例如，一些采用透明材質(zhì)制作的圓柱型密閉光生物反應(yīng)器，通過精確控制光照、溫度、氣體供應(yīng)等條件，為光合微生物提供了適宜的生長(zhǎng)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(duì)微生物進(jìn)行基因工程改造。優(yōu)化培養(yǎng)條件包括調(diào)節(jié)培養(yǎng)液的營養(yǎng)成分、控制光照強(qiáng)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(zhǎng)和產(chǎn)氫的需求，如適當(dāng)增加氮源可促進(jìn)藻類的生長(zhǎng)和產(chǎn)氫能力。通過基因工程手段，對(duì)光合微生物的氫酶基因進(jìn)行修飾或調(diào)控相關(guān)代謝途徑，有望增強(qiáng)微生物的產(chǎn)氫效率和穩(wěn)定性。例如，敲除某些抑制產(chǎn)氫的基因，或者過表達(dá)與產(chǎn)氫相關(guān)的關(guān)鍵基因，能夠提高光合微生物的產(chǎn)氫能力。

三、光合成反應(yīng)器用于 CO?資源化

3.1 CO?還原為高附加值化學(xué)品

      光合成反應(yīng)器將 CO?轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品，模擬了自然界中植物的光合作用過程，但其反應(yīng)機(jī)制更為復(fù)雜。在光催化劑存在下，光激發(fā)產(chǎn)生的電子 - 空穴對(duì)參與 CO?的還原反應(yīng)，通過一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)路徑，將 CO?逐步轉(zhuǎn)化為一氧化碳（CO）、甲烷（CH?）、甲醇（CH?OH）、乙醇（C?H?OH）等化學(xué)品。這一過程不僅需要合適的光催化劑來吸收光能并促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，還需要精確控制反應(yīng)條件，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)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(duì)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(duì)金屬氧化物進(jìn)行表面修飾、摻雜其他元素或與其他半導(dǎo)體復(fù)合等方式，拓展其光響應(yīng)范圍并提高催化活性。例如，在 TiO?表面負(fù)載貴金屬納米顆粒（如 Pt、Au 等），可增強(qiáng)光生載流子的分離效率，促進(jìn) CO?還原反應(yīng)。半導(dǎo)體量子點(diǎn)催化劑（如 CdS、CuInS?等）具有量子尺寸效應(yīng)，能有效調(diào)節(jié)能帶結(jié)構(gòu)，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(jī)半導(dǎo)體材料和金屬有機(jī)框架（MOF）材料也因其結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、光吸收性能優(yōu)異等特點(diǎn)，在 CO?資源化領(lǐng)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(yīng)器，在 CO?轉(zhuǎn)化為乙醇的反應(yīng)中，乙醇選擇性高達(dá) 85%，產(chǎn)率達(dá)到 2.1 mmol/g/h。

      在實(shí)際應(yīng)用中，光合成反應(yīng)器將 CO?轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，CO?分子化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，其活化和轉(zhuǎn)化需要較高的能量，且反應(yīng)過程中易產(chǎn)生多種副產(chǎn)物，導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物選擇性難以提高。其次，光催化劑的穩(wěn)定性和長(zhǎng)期運(yùn)行性能有待進(jìn)一步提升，在反應(yīng)過程中可能會(huì)發(fā)生光腐蝕、活性位點(diǎn)中毒等問題，影響催化劑的使用壽命和反應(yīng)效率。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究人員不斷探索新的催化劑體系和反應(yīng)工藝。通過合理設(shè)計(jì)催化劑的微觀結(jié)構(gòu)，增加活性位點(diǎn)數(shù)量和穩(wěn)定性；開發(fā)原位監(jiān)測(cè)和調(diào)控反應(yīng)過程的技術(shù)，實(shí)時(shí)優(yōu)化反應(yīng)條件，提高目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性和產(chǎn)率。

3.2 實(shí)例分析

      以荷蘭 PureWater Solutions 的 TiO?/ 石墨烯平板反應(yīng)器為例，該反應(yīng)器在處理含有機(jī)污染物和 CO?的體系時(shí)，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(jī)污染物，60 分鐘內(nèi)降解率大于 99.5%，礦化率達(dá)到 98%；另一方面，光生電子參與 CO?的還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)污染物降解和 CO?資源化的同步進(jìn)行。這種協(xié)同處理方式不僅提高了反應(yīng)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(jié)合方面取得了成果。該系統(tǒng)利用 ZnO 微通道對(duì)廢水中 Pb2?具有較高的吸附容量（達(dá) 450 mg/g），且在再生循環(huán) 20 次后無明顯損耗的特性，實(shí)現(xiàn)了廢水的凈化。同時(shí)，通過在微通道內(nèi)引入光催化體系，利用吸附在 ZnO 表面的 CO?進(jìn)行光還原反應(yīng)，將 CO?轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化學(xué)品，達(dá)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(yīng)器在制氫與 CO?資源化應(yīng)用中雖取得了顯著進(jìn)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(jìn)一步提高，目前多數(shù)光催化劑的光生載流子復(fù)合率較高，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率受限；光合生物制氫則面臨微生物生長(zhǎng)緩慢、產(chǎn)氫量低以及反應(yīng)器成本較高等問題。在 CO?資源化方面，CO?還原產(chǎn)物的選擇性和產(chǎn)率難以同時(shí)兼顧，且光催化劑在復(fù)雜反應(yīng)體系中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足。

      為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，未來的研究方向可從以下幾個(gè)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(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，深入理解催化劑的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，設(shè)計(jì)具有更優(yōu)能帶結(jié)構(gòu)、高活性和穩(wěn)定性的光催化劑。在反應(yīng)器設(shè)計(jì)方面，運(yùn)用先進(jìn)的模擬技術(shù)優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)，提高光的利用效率、傳質(zhì)和傳熱效率，降低反應(yīng)器成本。此外，加強(qiáng)多學(xué)科交叉融合，將生物學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、工程學(xué)等學(xué)科知識(shí)有機(jī)結(jié)合，為光合成反應(yīng)器的創(chuàng)新發(fā)展提供新的思路和方法。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，光合成反應(yīng)器有望在清潔能源領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，為實(shí)現(xiàn)全球能源可持續(xù)發(fā)展和碳中和目標(biāo)提供有力支撐。

產(chǎn)品展示

      SSC-PECRS電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)主要用于電催化反應(yīng)和光電催化劑的性能評(píng)價(jià)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)流和循環(huán)連續(xù)流實(shí)驗(yàn)，配置反應(yīng)液體控溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主要用于光電催化CO2還原反應(yīng)全自動(dòng)在線檢測(cè)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(yīng)系統(tǒng)將氣路液路系統(tǒng)、光電催化反應(yīng)池、在線檢測(cè)設(shè)備等進(jìn)行智能化、微型化、模塊化設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)電催化分析，并采用在線檢測(cè)體系對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行定性定量分析?？梢赃m配市面上多數(shù)相關(guān)的電解池，也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求定制修改各種電催化池。