一、引言

      在全球能源需求持续增长和环境问题日益严峻的双重压力下，清洁能源的开发与利用成为实现可持续发展的关键。光合成反应器作为一种能够利用太阳能驱动化学反应的创新装置，在清洁能源领域展现出了巨大的应用潜力，尤其是在制氢与 CO₂资源化方面，为解决能源危机和应对气候变化提供了新的途径。

二、光合成反应器用于制氢

2.1 光解水制氢

      光解水制氢是利用太阳能将水分解为氢气和氧气的过程，其基本原理基于半导体光催化反应。当具有合适能带结构的半导体光催化剂受到能量大于其带隙能的光照时，价带电子被激发跃迁至导带，在价带留下空穴，形成光生电子 - 空穴对。这些光生载流子迁移至催化剂表面，分别参与水的还原产氢和氧化产氧反应。

      为了实现高效的光解水制氢，多种类型的光合成反应器被研发出来。其中，平板式反应器结构简单，具有较大的光照面积，利于光的吸收，但存在传质效率较低的问题。例如，早期的一些 TiO₂平板式光反应器，虽能实现光解水反应，但产氢速率受限。管式反应器则通过优化流体流动路径，提高了传质效率。如采用纳米结构 TiO₂涂层的管式反应器，在一定程度上提升了产氢性能。而微通道反应器凭借其微小的通道尺寸，极大地增加了光催化剂与反应溶液的接触面积，同时实现了高效的传热和传质，显著提高了光解水制氢的效率。美国 NREL 研发的钙钛矿微通道反应器，在太阳能到氢能（STH）转化效率方面取得了重大突破，达到 18%，且产氢成本降至 $2.8/kg。

      为进一步提升光解水制氢效率，研究人员采取了多种策略。一方面，通过对光催化剂进行改性，如构建异质结、掺杂金属或非金属元素等，优化光催化剂的能带结构，提高光生载流子的分离效率和迁移速率。例如，将 BiVO₄与其他半导体复合形成异质结光催化剂，在光解水制氢中表现出比单一 BiVO₄更高的活性。另一方面，改进反应器的设计和操作条件，如优化光源分布、调控反应温度和压力、选择合适的牺牲剂等。采用多光源协同照射的方式，可增强反应器内光的均匀性，提高光利用效率；合适的牺牲剂能够消耗光生空穴，促进光生电子参与产氢反应，提升产氢速率。

2.2 光合生物制氢

      光合生物制氢是利用光合微生物（如藻类和光合细菌）在光照条件下，借助光合作用将水分解产生氢气的过程。其原理涉及光合作用的多个环节，光合微生物首先通过光合色素吸收光能，将光能转化为化学能并储存于 ATP 和 NADPH 中。在产氢过程中，这些能量驱动水分解为氢离子和电子，氢离子和电子在氢酶的作用下结合生成氢气。

      用于光合生物制氢的反应器类型多样。开放式池塘反应器成本较低，可利用自然光照和大面积培养光合微生物，但易受外界环境因素（如温度、光照强度、杂菌污染等）影响，产氢稳定性较差。密闭式光生物反应器则能较好地控制反应条件，减少杂菌污染风险，提高光合生物生长和产氢的稳定性。例如，一些采用透明材质制作的圆柱型密闭光生物反应器，通过精确控制光照、温度、气体供应等条件，为光合微生物提供了适宜的生长环境。

      为提高光合生物制氢的性能，研究主要集中在优化光合微生物的培养条件和对微生物进行基因工程改造。优化培养条件包括调节培养液的营养成分、控制光照强度和周期、维持适宜的温度和 pH 值等。合适的营养成分能够满足光合微生物生长和产氢的需求，如适当增加氮源可促进藻类的生长和产氢能力。通过基因工程手段，对光合微生物的氢酶基因进行修饰或调控相关代谢途径，有望增强微生物的产氢效率和稳定性。例如，敲除某些抑制产氢的基因，或者过表达与产氢相关的关键基因，能够提高光合微生物的产氢能力。

三、光合成反应器用于 CO₂资源化

3.1 CO₂还原为高附加值化学品

      光合成反应器将 CO₂转化为高附加值化学品，模拟了自然界中植物的光合作用过程，但其反应机制更为复杂。在光催化剂存在下，光激发产生的电子 - 空穴对参与 CO₂的还原反应，通过一系列复杂的化学反应路径，将 CO₂逐步转化为一氧化碳（CO）、甲烷（CH₄）、甲醇（CH₃OH）、乙醇（C₂H₅OH）等化学品。这一过程不仅需要合适的光催化剂来吸收光能并促进电子转移，还需要精确控制反应条件，以实现目标产物的高选择性合成。

      目前，用于 CO₂光还原的催化剂体系种类繁多。金属氧化物催化剂如 TiO₂、ZnO 等，因其成本低、稳定性好而被广泛研究，但它们对可见光的吸收能力较弱，光催化活性有待提高。为改善这一问题，研究人员通过对金属氧化物进行表面修饰、掺杂其他元素或与其他半导体复合等方式，拓展其光响应范围并提高催化活性。例如，在 TiO₂表面负载贵金属纳米颗粒（如 Pt、Au 等），可增强光生载流子的分离效率，促进 CO₂还原反应。半导体量子点催化剂（如 CdS、CuInS₂等）具有独特的量子尺寸效应，能有效调节能带结构，在 CO₂光还原中表现出较高的活性和选择性。一些新型的有机半导体材料和金属有机框架（MOF）材料也因其结构可设计性强、光吸收性能优异等特点，在 CO₂资源化领域展现出巨大潜力。中科院上海高研院研发的 Cu₂O - ZIF - 8 管式反应器，在 CO₂转化为乙醇的反应中，乙醇选择性高达 85%，产率达到 2.1 mmol/g/h。

      在实际应用中，光合成反应器将 CO₂转化为高附加值化学品面临诸多挑战。首先，CO₂分子化学性质稳定，其活化和转化需要较高的能量，且反应过程中易产生多种副产物，导致目标产物选择性难以提高。其次，光催化剂的稳定性和长期运行性能有待进一步提升，在反应过程中可能会发生光腐蚀、活性位点中毒等问题，影响催化剂的使用寿命和反应效率。为应对这些挑战，研究人员不断探索新的催化剂体系和反应工艺。通过合理设计催化剂的微观结构，增加活性位点数量和稳定性；开发原位监测和调控反应过程的技术，实时优化反应条件，提高目标产物的选择性和产率。

3.2 实例分析

      以荷兰 PureWater Solutions 的 TiO₂/ 石墨烯平板反应器为例，该反应器在处理含有机污染物和 CO₂的体系时，展现出了良好的协同作用。在光照条件下，TiO₂光催化剂一方面利用光生空穴氧化降解四环素等有机污染物，60 分钟内降解率大于 99.5%，矿化率达到 98%；另一方面，光生电子参与 CO₂的还原反应，实现了有机污染物降解和 CO₂资源化的同步进行。这种协同处理方式不仅提高了反应器的综合利用效率，还为解决环境污染物和 CO₂减排问题提供了新的思路。

      中国威立雅环境的 ZnO 微通道系统则在 CO₂资源化与废水处理结合方面取得了成果。该系统利用 ZnO 微通道对废水中 Pb²⁺具有较高的吸附容量（达 450 mg/g），且在再生循环 20 次后无明显损耗的特性，实现了废水的净化。同时，通过在微通道内引入光催化体系，利用吸附在 ZnO 表面的 CO₂进行光还原反应，将 CO₂转化为有价值的化学品，达到了资源回收和环境治理的双重目的。

四、挑战与展望

      光合成反应器在制氢与 CO₂资源化应用中虽取得了显著进展，但仍面临一些挑战。在制氢方面，光解水制氢效率和稳定性有待进一步提高，目前多数光催化剂的光生载流子复合率较高，导致能量转换效率受限；光合生物制氢则面临微生物生长缓慢、产氢量低以及反应器成本较高等问题。在 CO₂资源化方面，CO₂还原产物的选择性和产率难以同时兼顾，且光催化剂在复杂反应体系中的长期稳定性不足。

      为应对这些挑战，未来的研究方向可从以下几个方面展开。在材料研发上，致力于开发新型高效的光催化剂，通过理论计算和实验相结合的方法，深入理解催化剂的结构与性能关系，设计具有更优能带结构、高活性和稳定性的光催化剂。在反应器设计方面，运用先进的模拟技术优化反应器的结构和操作参数，提高光的利用效率、传质和传热效率，降低反应器成本。此外，加强多学科交叉融合，将生物学、化学、材料学、工程学等学科知识有机结合，为光合成反应器的创新发展提供新的思路和方法。随着技术的不断进步，光合成反应器有望在清洁能源领域发挥更大的作用，为实现全球能源可持续发展和碳中和目标提供有力支撑。

产品展示

      SSC-PECRS电催化连续流反应系统主要用于电催化反应和光电催化剂的性能评价，可以实现连续流和循环连续流实验，配置反应液体控温系统，实现主要用于光电催化CO2还原反应全自动在线检测系统分析，光电催化、N2催化还原，电催化分析、燃料电池、电解水等。

      SSC-PECRS电催化连续流反应系统将气路液路系统、光电催化反应池、在线检测设备等进行智能化、微型化、模块化设计并集成为一套装置，通过两路气路和两路液路的不同组合实现电催化分析，并采用在线检测体系对反应产物进行定性定量分析。可以适配市面上多数相关的电解池，也可以根据实验需求定制修改各种电催化池。