一、引言

      在全球能源转型的大背景下，氢能凭借其清洁、高效、能量密度高等优势，成为极具潜力的新型能源载体。光解水制氢技术，作为一种直接利用太阳能将水分解为氢气和氧气的绿色制氢途径，备受关注。然而，传统光解水体系受限于单波长光源激发，量子效率较低，极大地阻碍了其规模化应用进程。近年来，双光路 LED 光化学反应仪的问世，为光解水制氢研究带来了新的突破契机，通过双波长协同激发，可有效拓展光催化剂的光谱响应范围，提升光生载流子的分离与利用效率，从而显著提高量子效率。

二、光解水制氢的原理与挑战

      光解水制氢的基本原理基于半导体光催化反应。当能量大于半导体禁带宽度（Eg​）的光子照射到光催化剂表面时，价带（VB）上的电子吸收光子能量跃迁到导带（CB），形成光生电子 - 空穴对。随后，光生电子迁移至催化剂表面，将水中的质子还原为氢气（2H++2e−→H2​）；光生空穴则参与水的氧化反应，生成氧气（2H2​O+4h+→O2​+4H+）。

      实际光解水过程面临诸多挑战，其中最关键的是量子效率的提升难题。一方面，单一半导体光催化剂的禁带宽度限制了其对太阳光光谱的吸收范围。例如，TiO₂作为经典光催化剂，禁带宽度约为 3.2 eV，仅能吸收波长小于 387 nm 的紫外光，而紫外光在太阳光中占比不足 5%，导致光能利用率极低。另一方面，光生电子 - 空穴对极易发生复合，降低了参与光解水反应的有效载流子数量，严重制约量子效率。据统计，在传统单波长光激发下，多数光催化剂的量子效率仅在 1% - 5% 之间徘徊。

三、双光路 LED 光化学反应仪的工作机制

（一）双光路系统设计

      双光路 LED 光化学反应仪突破了传统单光路的局限，构建了独立可控的双光路并行架构。该系统通常配备两组不同波长的 LED 光源模块，可精准输出从紫外到可见光波段的特定波长光线，如常见的 365 nm 紫外光与 450 nm 蓝光组合，或 420 nm 蓝光与 520 nm 绿光搭配等。通过精密的光学元件，如光纤、反射镜与透镜组，两组光路的光线能够高效耦合，以同轴或交叉方式聚焦于反应区域，确保反应体系均匀接收双波长光照。

（二）双波长协同激发机制

1. 拓展光谱响应范围：不同波长的光对应不同的光子能量，双光路 LED 光化学反应仪利用这一特性，使两种光子协同作用于光催化剂。例如，当 365 nm 紫外光激发宽禁带半导体（如 TiO₂）产生电子 - 空穴对时，450 nm 蓝光可同步激发窄禁带半导体（如 CdS 量子点）。CdS 吸收蓝光后产生的光生电子，可通过异质结界面转移至 TiO₂的导带，补充 TiO₂因光生载流子复合损失的电子，从而有效拓展光催化剂对可见光的响应，提升整体光谱利用率。
2. 促进光生载流子分离：双波长协同激发还能优化光生载流子的分离过程。在双光路照射下，不同半导体材料因能带结构差异，产生的光生电子与空穴具有不同的迁移方向。例如，在 TiO₂/CdS 异质结体系中，TiO₂导带上的电子倾向于迁移至 CdS 表面参与质子还原，而 CdS 价带上的空穴则迁移至 TiO₂表面进行水的氧化反应。这种空间上的载流子定向迁移，有效减少了电子 - 空穴对的复合几率，显著提升了光生载流子的分离效率。

四、性能提升与实验验证

（一）量子效率显著提高

      众多实验结果表明，双光路 LED 光化学反应仪在光解水制氢中展现出卓越性能，可大幅提升量子效率。如德国某研究团队以 365 nm 紫外光与 520 nm 可见光的双光路系统，对 TiO₂/CdS 复合光催化剂进行测试，结果显示产氢速率达到 1.2 mmol/h，较单 365 nm 紫外光催化时提升了 4 倍，量子效率从 3% 跃升至 12%。美国斯坦福大学采用 420 nm 蓝光与 590 nm 橙光的双波长组合，在对 g - C₃N₄/ZnO 复合催化剂的光解水实验中，将量子效率从 5% 提升至 18%，产氢性能提升效果显著。

（二）反应稳定性增强

      除了量子效率提升，双光路 LED 光化学反应仪还赋予光解水反应更好的稳定性。由于双波长协同激发减少了光生载流子复合，降低了光催化剂表面因电荷积累引发的光腐蚀现象。日本某实验室对 Pt - loaded TiO₂/CdS 催化剂进行 100 小时连续双光路光解水测试，产氢速率仅下降 5%，而在单光路条件下，相同时间内产氢速率下降超过 30%，充分证明了双光路系统对反应稳定性的积极作用。

五、应用前景与展望

（一）加速光解水制氢产业化进程

      双光路 LED 光化学反应仪在提升光解水制氢量子效率与稳定性方面的优势，为该技术的产业化发展注入了强大动力。随着仪器成本的降低与性能的进一步优化，有望在未来 5 - 10 年内实现光解水制氢从实验室到工业化示范的跨越。例如，在分布式能源领域，可利用该技术构建小型化、模块化的光解水制氢装置，为偏远地区、海岛等提供清洁、可靠的氢能源供应。

（二）推动光催化剂研发创新

      该仪器为光催化剂的设计与研发提供了全新的实验平台，助力科研人员深入探究双波长协同作用下光催化反应机理，开发出更多高效、稳定的新型光催化剂。未来，通过机器学习算法与双光路实验的结合，可实现光催化剂组成与结构的快速筛选与优化，加速新型光催化材料的问世，如基于黑磷、二维过渡金属硫化物等新型半导体材料的光催化剂体系构建。

（三）拓展光化学应用边界

      双光路 LED 光化学反应仪的成功应用，不仅局限于光解水制氢领域，还将为其他光化学过程，如 CO₂光催化还原、有机污染物光催化降解、光催化有机合成等带来新的研究思路与技术手段。通过精准调控双波长光照参数，有望实现复杂光化学反应的高效、定向进行，推动光化学领域的基础研究与应用开发迈向新的高度。

产品展示

       SSC-PCRT120-2位双光路LED光化学反应仪，采用大功率LED双面光路照射，采用PLC全面控制，实现各种操作需求，大幅提升催化剂的筛选实验的效率，可以同时2位样品实验，实现了样品在不同波长不同条件下的分析。SSC-PCRT120-2位双光路LED光化学反应仪主要用于研究气相或液相介质，固相或流动体系等条件下的光化学反应；广泛应用光化学催化、化学合成、光催化降解、催化产氢、CO2光催化还原、光催化固氮、环境保护以及生命科学等研究领域。

产品优势：

1)采用双侧面照射，增加光照面积，是底或顶照光照面积的20倍；

2)2位均可独立数控，搅拌、光强、多波长、通气、抽真空；

3)可任意匹配波长；可选波长365nm，395nm，405nm，420nm，455nm，470nm，500nm，520nm，590nm，620nm，660nm，740nm，810nm，850nm，940nm，白光LED；

4)实现2位反应仪的同时搅拌，分别控制，更好的混合反应物；

5)采用模块化设计，可以根据需要波段，仅更换光照模块即可实现多波段照射；

6)LED光源采用风冷，无需滤光片，光照均匀；

7)LED光源采用一体化设计，匹配内置控温反应管，使用便捷；

8)光源系统采用PLC全面控制，实现各种操作需求。