寬光譜響應光電流動反應池作為光催化與流動化學交叉領域的核心器件，其性能提升依賴催化劑結構設計與光吸收特性的協同優化。本文系統闡述寬光譜響應催化劑的分子設計策略、光電極微結構調控對光吸收的強化機制，揭示催化劑 - 光電極 - 流動體系的構效關聯規律。通過能級工程、界面調控與流場優化的多維度協同，實現光吸收范圍從紫外區向可見光及近紅外區拓展，同時降低光生載流子復合損耗、提升傳質效率。結合密度泛函理論計算與實驗表征，明確催化劑電子結構、光電極陷光特性與流動參數對反應效率的耦合影響機制，為高效光電流動反應池的設計與規模化應用提供理論支撐和技術參考。

1 引言

      能源危機與環境問題的加劇推動了太陽能轉化技術的快速發展，光電流動反應池融合光催化的綠色特性與流動反應的高效傳質優勢，在清潔能源制備、污染物降解等領域展現出廣闊應用前景。傳統光電流動反應池存在光吸收范圍窄、催化劑量子效率低、規模化后性能衰減等瓶頸，核心癥結在于催化劑結構與光吸收特性的不匹配，以及流動體系中光 - 電 - 化學耦合效應的調控缺失。

     寬光譜響應是提升太陽能利用率的關鍵，需通過催化劑分子設計突破傳統材料的光吸收局限；而流動體系的動態特性要求光吸收優化需兼顧傳質效率與電荷傳輸動力學。構效關系作為連接結構設計與性能輸出的核心紐帶，其本質是催化劑電子結構、光電極微結構與流動參數對光吸收 - 電荷分離 - 表面反應全鏈條的協同調控規律。本文聚焦催化劑設計與光吸收優化兩大核心維度，系統解析寬光譜響應光電流動反應池的構效關聯機制，為器件性能突破提供新思路。

2 寬光譜響應催化劑的設計策略與構效基礎

2.1 能級工程導向的分子結構設計

     催化劑的光響應范圍本質由其電子結構決定，通過精準調控前線軌道能級差可實現寬光譜吸收。何軍教授團隊通過理論計算指導的能級匹配設計，構建光敏配體與金屬氧簇協同的一體化 MOF 材料，突破傳統兩步式配體 - 簇電荷轉移（LCCT）限制，實現電子從配體高占據軌道（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。這種分子層面的精準設計，在無需光敏劑、犧牲劑輔助的情況下，將光催化全解水產氫速率提升 5 倍以上，驗證了能級工程對寬光譜響應與催化活性的協同強化作用。

     對于半導體基催化劑，異相結構建是優化能級結構的有效路徑。通過耦合窄帶隙半導體與寬禁帶材料形成異相結，可拓寬光吸收范圍并構建電荷單向轉移通道，抑制載流子復合。李燦院士團隊的研究證實，異相結光電極中光生電荷可依照 PEC 器件電荷流動原則定向遷移，顯著提升分離效率。如 CdSe 量子點修飾的 TiO?復合材料，通過量子點與 TiO?的能級匹配，將光吸收擴展至可見光區，其降解羅丹明 B 的反應速率常數是純相 TiO?的 52.5 倍。

2.2 界面調控與負載策略優化

     催化劑與光電極的界面接觸質量直接影響光生電荷傳輸效率，進而關聯寬光譜響應的實際轉化效果。浙江大學單冰課題組設計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，同時利用吡啉光敏劑與硫化鎳催化劑的直接電子轉移機制，避免傳統兩步轉移的能量損耗，實現 34.4% 的外量子效率。這種界面調控策略通過增強催化劑與光敏劑的接觸緊密性，確保寬光譜吸收產生的光生電荷快速分離，為構效協同提供結構基礎。

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

3 光吸收優化的關鍵路徑與強化機制

3.1 光電極微結構陷光設計

      光電極表面微結構調控是提升寬光譜吸收效率的核心手段，通過增加光程長度、減少光反射實現光吸收強化。桂林電子科技大學團隊提出的表面凹陷結構設計，利用陷光效應減少光逃逸，其光吸收提升優于單純增大表面積的金字塔結構，通過優化深寬比可進一步降低反射率、延長光程。這種微結構設計通過物理機制強化光捕獲，與催化劑的寬光譜響應特性形成協同，為全光譜利用率提升提供結構支撐。

      光子晶體材料憑借獨特的光學特性成為光吸收優化的重要載體。福州大學團隊制備的 TiO?、ZnO 光子晶體光催化劑，通過調控晶格結構實現光子的選擇性反射與透射，抑制載流子輻射復合，其對甲基橙、羅丹明 B 的降解性能優于傳統 P25 催化劑。光子晶體與寬光譜響應催化劑的結合，可實現光吸收與電荷分離的協同優化，為構效關系的深化提供新路徑。

3.2 流動體系的光吸收協同優化

     光電流動反應池的動態特性要求光吸收優化需與流場參數相匹配，通過 CFD 數值模擬可精準調控流動條件以提升光吸收效率。研究表明，催化劑膜表面積、流場構型、液固比（S/V）及 inlet 參數對光吸收與傳質效率具有顯著影響，當 inlet 流量 10mL/min、直徑 10mm、S/V 值 0.034m?1 時，四環素鹽酸鹽降解率可達 96.34%。這種流場優化通過提升反應體系的均勻性，避免局部光遮擋與傳質受限，確保寬光譜吸收的均勻性與持續性。

      規模化應用中，光電極尺寸擴大易導致電荷傳輸損耗與光吸收不均，需通過結構設計實現放大效應最小化。單冰課題組開發的 25cm2 擴大化光電極，通過分散的電荷傳輸路徑設計，使效率損耗低于 1%，其核心在于光電極網絡中 PEDOT 鏈間距（52nm）遠小于空穴傳輸長度（176nm），確保寬光譜吸收產生的電荷高效傳輸。這種規模化優化策略為寬光譜響應光電流動反應池的實際應用提供了關鍵技術支撐。

4 構效關系的調控規律與協同機制

4.1 電子結構 - 光吸收 - 催化活性的關聯規律

      寬光譜響應光電流動反應池的構效關系核心的是催化劑電子結構與光吸收特性的匹配規律。催化劑的能帶寬度決定光響應閾值，通過元素摻雜、異相結構建等方式調控能帶結構，可實現光吸收范圍從紫外區向可見光及近紅外區拓展；而能級位置的精準匹配則確保光生電荷有效分離，避免寬光譜吸收產生的載流子復合損耗。密度泛函理論計算與時間分辨光譜表征證實，直接電荷轉移機制相較于間接轉移可顯著提升載流子分離效率，是構效協同的關鍵熱力學基礎。

4.2 微結構 - 流場 - 反應效率的耦合效應

      光電極微結構與流動體系的動態耦合直接影響構效關系的實際輸出。凹陷結構、光子晶體等微結構設計強化光吸收，而流場參數優化則提升傳質效率，兩者協同確保寬光譜吸收產生的活性物種快速與反應物接觸，避免表面反應受限。當催化劑分散均勻性、光電極陷光特性與流場均勻性達到佳匹配時，可實現光吸收 - 電荷分離 - 傳質 - 反應的全鏈條協同，如模塊化設計的光電流動反應池通過結構集成，在規模化條件下仍保持高效的寬光譜響應與催化性能。

5 結論與展望

      寬光譜響應光電流動反應池的構效關系本質是催化劑設計、光吸收優化與流動體系調控的多維度協同。通過能級工程與界面調控的催化劑設計策略，可實現寬光譜吸收與高效電荷分離的同步；光電極微結構陷光設計與流場優化的結合，為光吸收效率提升提供物理支撐；而電子結構 - 光吸收 - 反應效率的耦合規律，則為構效關系的精準調控提供理論依據。

      未來研究需聚焦三個方向：一是開發兼具寬光譜響應、高穩定性與低成本的新型催化劑，通過多元素摻雜與復合結構設計突破現有材料局限；二是構建光 - 電 - 流場多場耦合的數值模擬模型，實現構效關系的精準預測與器件優化；三是推進模塊化與規模化技術開發，解決放大過程中的性能衰減問題。通過多學科交叉融合，進一步深化構效關系認知，有望推動寬光譜響應光電流動反應池在清潔能源與環境治理領域的實際應用。

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。

產品優勢：

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，導電性能佳，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。