太阳能光伏光电(电)催化的原理、发展趋势和实验设备

随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，寻找可再生的清洁能源成为全人类共同面临的挑战。太阳能取之不尽，用之不竭，是一种理想的可再生能源，但由于天气、地理和昼夜交替等客观因素，它存在不连续性和波动性的缺点。

光伏电催化分解水技术不仅克服太阳能间歇性和波动性的缺陷，还能将太阳能转换成可储存、运输、燃烧热值高的清洁能源——氢能，也给未来太阳能转换技术指引了一个可研究的方向^[1]。

光伏电催化分解水原理

光伏电催化分解水是通过光伏器件将太阳能转化为电能，然后利用催化剂将水电催化分解为氢气和氧气。

光伏电催化分解水的优势

1. 可再生能源：光伏电催化分解水技术利用太阳能作为能源，具有可再生、无污染等特点。

2. 清洁能源：分解水中的氢气燃烧产物仅为水，不产生温室气体排放，是一种清洁能源。

3. 氢气作为燃料：氢气可作为燃料，与其他可再生能源结合，为能源多元化提供新的解决方案。

4. 应用广泛：光伏电催化分解水技术可应用于交通、工业、家庭等领域，为实现能源转型提供可能。

光伏电催化分解水面临的挑战

光伏电催化分解水是一项潜力巨大的技术，但在实际应用中仍然面临一些困难和挑战，主要集中在以下几个方面：

1.效率问题：光伏电催化分解水是将太阳能转化为电能，再将电能用于催化剂催化水分解，在这个过程中存在能量损失，如何提高整体效率是关键重点。

2.催化剂选择和设计：寻找高效稳定且低成本的催化剂是光伏电催化分解水技术的关键。它们需要具备高效催化水分解的能力，并且需要长时间稳定运行，且不会受到催化剂中毒或腐蚀等问题的影响。

3.系统集成：如何将光伏器件、电解槽、催化剂等组件高效集成，降低系统成本，是需要解决的问题。

4.稳定性与耐久性：在光伏电催化分解水中，仪器设备以及材料面临高能量光照、电解液中的时刻不停的化学反应以及长期使用的考验。因此，需要提高光伏电催化分解水系统的稳定性和耐久性，以保证其在实际应用中的可靠性。

5.规模化问题：将光伏电催化分解水技术从实验室规模扩展到工业生产仍然具有巨大的挑战。需要建立大规模的生产和可以扩展的基础平台，并解决大规模生产中的稳定性和可控性问题。

提高电解效率的方法^[2]

未来发展趋势

光伏电催化分解水技术具有广阔的未来发展前景，提高光伏电催化分解水的方法主要有以下几种。

1.新型催化剂：研究人员将继续探索更高效、更稳定的催化剂，这些催化剂可以在各种条件下工作，并且在长时间内不会失效。

2.系统集成：集成不同的组件，模块，并且进行优化，例如选择更具有性价比的离子交换膜，优化光伏电池，提高电池寿命容量，开发更具有价值的电极等。

3.提高能源利用效率：例如通过设计，使光伏电池板可以追踪太阳位置，时刻处于最强光照方向；优化电解槽设计，使电解液与催化剂充分接触，提高反应效率。

4.混合电源系统：通过集成多个电源来确保不间断运行，或者通过组合两个或多个配置来达到最大效果，从而提高系统的效率。

5.混合动力：将光伏电解水的能量来源扩展至风能，地热能等，并联或者串联其他装置，将应用扩展到电、热、冷需求上，使之在零碳排放的现代能源中扩展更多的可能性。

光伏电催化未来发展趋势^[2]

PLR-PVERS系列太阳能光伏光电（电）催化反应系统

为了帮助广大科研人员更好的探索光伏发电与电催化耦合制备绿色燃料技术，泊菲莱科技推出户外实验系统平台——PLR-PVERS系列太阳能光伏光电（电）催化反应系统。

PLR-PVERS系列太阳能光伏光电（电）催化反应系统由光伏设备、定制化催化反应器、循环系统、监测控制系统、支撑框架、收集及排放系统和配附设备等构成。

催化反应器分为纯电催化反应器和带光窗的光电催化反应器，旨在构建光伏+光电（电）催化产氢的反应装置，实现在酸碱溶液条件下光电（电）催化分解水产氢产氧，其催化产氢效率达到10 L/h级，可满足户外使用的需求。

系统优势

实时跟踪系统，最大化利用太阳光

PLR-PVERS系列太阳能光伏光电（电）催化反应系统配套光伏板配备辐照检测器，实时测定光伏板所在环境的光伏照强度，根据辐照强度调整光伏板倾斜角度，使得光伏板的光能利用率最大化。

板式反应器结构，提高电催化反应效率

PLR-PVERS系列太阳能光伏光电（电）催化反应系统配置反应器为板式反应结构，与同体积釜式电解槽相比大大提高电极催化材料的面积，使得催化剂能更有效地与反应物接触；

薄层结构减小溶液层厚度，减少因扩散速率低导致的反应物分布不均，降低副反应的发生，提高产物选择性；

流动体系可提高催化过程中电子和质子的传递速率，提高反应速率。

灵活的反应器设计，满足不同规模和条件下的反应

PLR-PVERS系列太阳能光伏光电（电）催化反应系统的板式结构可根据需要进行快速的扩展和优化，反应器尺寸可选5×5、10×10、15×15、20×20、25×25 cm²，也可接受定制，配套相应的光伏供电系统、监测控制系统和循环系统，满足不同规模和条件下的产量和效率要求。

还可定制带光窗的光电催化反应器，受光面积达到625 cm² (25 cm×25 cm)，反应过程中催化剂受光面积更大，可实时调整反应器的角度，提高催化剂的光照效率。

多功能实时监测系统，保证规模化产氢的安全可控

PLR-PVERS系列太阳能光伏光电（电）催化反应系统可实时在线监测光照强度、电压、电流、氢气产量、pH值、温度等参数，以调节反应条件和优化反应效果。

分级循环动力系统，保证反应效率及产物的及时分离

PLR-PVERS系列太阳能光伏光电（电）催化反应系统采用微型水泵推动液体流动，使反应溶液与电极充分接触。同时，产物端配置气泵，及时将反应过程中产生的气体产物从液体中分离收集，有效提高循环效率与反应效率。

参考文献

[1] Chen Jing, Dong Shujie and Zhou Hongjun. Research progress on hydrogen production through solar photovoltaic effect [J].Coal Chemical Industry,2022,50(03):79-85.

[2] Makhsoos A, Kandidayeni M, Pollet B G,et al.A perspective on increasing the efficiency of proton exchange membrane water electrolyzers–a review[J].International Journal of Hydrogen Energy, 2023.