光電流動反應池（Photoelectrochemical Flow Cell, PECFC）是一種結合光催化與電化學技術的高效反應平臺，通過光生載流子與電場協同驅動化學反應，突破傳統單一催化模式的效率瓶頸。本文系統闡述其工作原理、核心技術、應用場景及未來發展方向，為光-電協同催化技術的工業化提供理論支持。

一、技術原理與核心機制

1. 光-電協同催化機理

光吸收與電荷分離：光電極（如TiO?、g-C?N?）吸收光能后產生電子-空穴對（e?/h?），通過異質結設計（如Z型異質結）實現電荷定向分離，抑制復合。

電場驅動反應路徑：外加電場調控催化劑表面電子態，引導電子參與還原反應（如CO?→CH?），空穴參與氧化反應（如有機污染物降解）。

2. 流動體系強化傳質

微流控設計：通過蛇形流道或叉指電極結構，延長反應物停留時間（>10 min），傳質系數提升10-100倍。

氣-液-固三相傳質：光電極表面微孔結構促進氣泡脫附（如析氫反應中H?氣泡直徑<10 μm）。

二、核心技術組件與創新

1. 光電極材料

（1）寬光譜響應材料：

BiVO?/g-C?N?異質結：吸收可見光至近紅外（400-1000 nm），光電流密度達5 mA/cm2（AM 1.5G）。

金屬有機框架（MOFs）：如ZIF-8@CuPc，可調諧孔徑與電子結構，提升CO?吸附與活化效率。

（2）表面修飾技術：

碳量子點（CQDs）包覆：減少光生載流子復合，提升光催化壽命（>1000小時）。

自組裝單分子層（SAMs）：如巰基乙醇修飾TiO?，增強親水性并降低過電位。

2. 流動系統設計

（1）集成式微反應器：

雙極板結構：集成氣體擴散層（GDL）與光電極，實現氣液固三相高效接觸。

分段流道設計：通過突擴流道穩定氣液界面（如析氧反應中O?氣泡直徑<50 μm）。

（2）原位表征接口：

微型拉曼探頭：實時監測催化劑表面中間體（如*COOH在CO?還原中的生成）。

在線電化學阻抗譜（EIS）：動態分析電荷轉移電阻（Rct<100 Ω·cm2）。

3. 能量管理模塊

（1）最大功率點跟蹤（MPPT）：

動態匹配光照強度與負載需求，光-電轉換效率提升至18%（傳統系統約12%）。

（2）熱電聯供系統：

利用塞貝克效應回收廢熱發電，綜合能效提升10%（如太陽能驅動CO?還原系統）。

三、工業應用與典型案例

1. 能源轉化領域

（1）太陽能全光譜利用：西安交通大學開發的光熱電一體化技術，通過光伏 - 光催化耦合，將太陽能制氫成本降至 1 元 / 標方，較傳統電解水降低 70%。

（2）CO?資源化：SSC-PEFC20 反應池在 CO?還原中實現 95% 以上的脫氮效率，配合在線質譜分析，可實時監測產物分布。

2. 環境治理領域

（1）化學品降解：中國科大團隊利用電光還原體系處理聚四氟乙烯，在溫和條件下實現克級規模脫氟，為 PFASs 污染治理提供新路徑。

（2）廢水深度處理：河北大學開發的硫 - 錳碳酸鹽礦脫氮反應器（SMCD），在低 C/N 比廢水中實現總氮去除率 90% 以上，且無亞硝酸鹽積累。

3. 精細化工領域

（1）藥物合成：諾華公司通過微通道固定床反應器負載納米鈀催化劑，將恩格列凈中間體的對映體過量值（ee）從 88% 提升至 99.5%。

（2）氫能制備：清華大學層狀蕨類合金氣凝膠電極在 1000 mA/cm2 電流密度下連續運行 6000 小時無衰減，產氫效率較傳統電極提高 40%。

四、挑戰與未來趨勢

1. 當前技術瓶頸

（1）材料兼容性：強腐蝕性介質（如氫氟酸）對哈氏合金等材料的長期穩定性提出挑戰，成本較高。

（2）放大效應：實驗室級微通道（持液量 <100 mL）向工業級（持液量> 10 L）放大時，需解決流動均勻性和熱管理問題。

（3）數據閉環：實時監測數據與 AI 模型的耦合度不足，需開發更魯棒的算法應對復雜反應體系。

2. 未來發展方向

（1）智能硬件升級：

柔性電子：開發可拉伸電極與傳感器，適應復雜流場變化。

光 - 電 - 磁協同：集成磁場發生器，通過洛倫茲力強化傳質，如 X 技術中的流動型電解池。

（2）工藝創新：

多步連續合成：將光催化與分離、純化模塊集成，構建 “分子到產品” 的全連續生產線。

工況應用：探索高溫（>300℃）、高壓（>50 MPa）下的光 - 電協同反應，如超臨界 CO?中的綠色酯化。

（3）產業生態構建：

標準化體系：制定光電流動反應池的設計、測試與安全標準，推動行業規范化。

政策支持：中國 “十四五” 規劃將微化工技術列為重點方向，預計 2030 年市場規模突破 500 億元。

五、總結

      光電流動反應池通過光-電協同催化與流動體系強化，突破了傳統催化技術的效率與規模限制，在環境修復、能源轉換及化工合成領域展現出潛力。未來需聚焦材料穩定性、系統能效比及規模化成本，結合人工智能與多技術融合，推動其在碳中和與綠色化工中的產業化應用。

產品展示

      SSC-PEFC20光電流動反應池實現雙室二、三、四電極的電化學實驗，可以實現雙光路照射，用于半導體材料的氣-固-液三相界面光電催化或電催化的性能評價，可應用在流動和循環光電催化N2、CO2還原反應。反應池的優勢在于采用高純CO2為原料氣可以直接參與反應，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相狀態下不斷為催化劑表面提供反應原料。

      SSC-PEFC20光電流動反應池解決了商業電催化CO2還原反應存在的漏液、漏氣問題，采用全新的純鈦材質池體，實現全新的外觀設計和更加方便的操作。既保證了實驗原理的簡單可行，又提高了CO2還原反應的催化活性，為實現CO2還原的工業化提供了可行方案。

SSC-PEFC20光電流動反應池優勢：

● 半導體材料的電化學、光電催化反應活性評價；

● 用于CO2還原光電催化、光電解水、光電降解、燃料電池等領域；               

● 微量反應系統，極低的催化劑用量；

● 配置有耐150psi的石英光窗；

● 采用純鈦材質，耐壓抗腐蝕；

● 導電電極根據需要可表面鍍金、鈀或鉑，導電性能好，耐化學腐蝕；

● 光電催化池可與光源、GC-HF901（EPC）、電化學工作站、采樣系統、循環系統配合，搭建光電催化CO2還原系統，實現在線實時測試分析。