二氧化碳光催化系统

2. 二氧化碳光电催化系统（核心：光-电协同强化电荷分离）

• 2.1 研究内容：光阳极（BiVO₄等）氧化水制氧，光阴极（Cu₂O等）还原CO₂，实现太阳能与电能协同驱动。
• 2.2 解决问题：克服单一光催化电荷分离效率低的问题（电子利用率提升至60%以上）。
• 2.3 设备选择：三电极光电化学池（石英窗口）、电化学工作站（CHI760E）、氙灯光源（300 W，AM 1.5G滤光片）。

3. 二氧化碳气体扩散电催化系统（核心：传质强化型电催化）

• 3.1 研究内容：通过气体扩散电极（GDE）将CO₂高效传输至催化活性位点（Ag、Sn基催化剂），常温常压下还原为CO或甲酸。
• 3.2 解决问题：突破传统电催化传质限制（电流密度达300 mA/cm²以上）；适配燃料电池结构（规模化产氢/化学品联用）。
• 3.3 设备选择：H型电解池（带GDE）、旋转圆盘电极（RDE）、离子色谱仪（检测液相产物）。

二、二氧化碳光催化技术边界与设备选型结

2.1体系划分逻辑

维度	内涵说明
反应条件	常压/高压（操作参数，非独立机理）
催化剂相态	均相（分子催化剂）/非均相（固体催化剂）
能量输入	光催化（仅光能）/光电催化（光+电）/电催化（仅电，含GDE系统）
传质强化	GDE为电催化/光电催化的阴极结构，提升CO₂通量

三、二氧化碳光催化与相关系统的研究内容划分

3.1体系划分与研究边界

光催化可按反应相态与反应器工况细分为：

1）非均相光催化（固体半导体/助催化剂，如TiO2、CdS、g‑C3N4等）；

2) 均相光催化（分子催化剂，如Co(Ⅱ)配合物等）；

3) 反应“工况”维度常用到常压/高压与液相/气相来描述，并非独立反应机理；

4) 光电催化（PEC）在光催化基础上引入外电场，强化电荷分离；

5) 气体扩散电化学池（GDE）是电催化/光电催化中的一种传质强化型阴极结构，常用于CO2RR以提升气体到达活性位点的通量。上述划分与内涵可避免概念混淆：例如“常压/高压”是操作条件，“均相/非均相”是催化剂相态，“PEC/GDE”是器件与传质构型。

3.2各类系统的研究内容、解决问题与典型设备

体系	研究内容	主要解决问题	典型设备与关键配置
非均相光催化（常压/高压）	半导体光吸收、载流子分离/迁移、表面CO2还原（CO、HCOOH、CH3OH、CH4等）；常压用于液相批式或流动相，高压多用于临界/高压釜以强化传质与溶解度	提升可见光利用、抑制e–h复合、提高选择性/稳定性；常压便于机理与筛选，高压探索反应工程与动力学	光化学反应仪（LED或氙灯，配滤光/单色器）、反应釜（可高压/温控/搅拌）、在线/离线GC（配13CO2同位素）、光功率计、pH/电导在线监测
均相光催化（常压/高压）	分子催化剂（如Co(Ⅱ)配合物）与光敏剂/牺牲剂协同；光物理—光化学路径、活性中间体（如CoI–CO2•−）与机理	明确构效关系、抑制HER竞争、提升选择性与周转数；常压利于光谱与机理，高压用于速率/选择性工程	分光光度计/瞬态吸收光谱、荧光/核磁共振、GC‑MS/LC‑MS、反应管/流动池、温控与避光组件
光电催化 PEC（常压/高压）	光电极构筑（如n‑TiO2、BiVO4光阳极；p‑Si/n‑Si、CdS、量子点等），异质结/助催化剂、界面电荷分离与界面反应；常压H型池，高压用于传质/动力学	降低过电位、提升多电子转移效率、实现规模化路径验证；常压机理与筛选，高压工程放大	三电极/双室PEC池（ITO/FTO电极、参比/对电极）、恒电位仪/电化学工作站、光源（AM 1.5G模拟光）、在线GC、IPCE/ABPE测试系统
气体扩散电化学池 GDE（CO2RR）	气体扩散电极（疏水碳/PTFE层+催化层）、三相界面传质、局部微环境与选择性调控；可与PEC耦合	解决CO2传质限制、提升电流密度与FE、降低H2副反应；多用于电催化/光电催化阴极	气体扩散电极组件、流动电解池/膜电极（MEA）、质量流量控制器（MFC）、电化学工作站、在线GC与法拉第效率计算

3.3说明与要点：

（1）非均相与均相光催化共同目标是提高η_light吸收×η电荷分离×η表面反应；PEC通过外电场与能带弯曲进一步抑制复合；GDE通过三相界面显著提升CO2到达速率。

（2）高压条件常用于提升CO2溶解度与传质，但需关注密封、安全与材料耐压；常压更利于机理研究与高通量筛选。

3.4光电催化与GDE的要点与*进展

（1）PEC的核心强化路径包括：优化半导体能带结构与光吸收、构建异质结/内建电场促进电荷分离、在界面引入助催化剂并加速界面反应动力学；常见构型有p型光阴极+暗阳极、n型光阳极+暗阴极、n型光阳极+p型光阴极三类，用于分别匹配还原/氧化半反应与外电路偏压。

（2）GDE在CO2RR中通过疏水层将气体定向输运至催化层，形成气‑液‑固三相界面，显著降低扩散层厚度，从而提升局部CO2浓度与电流密度、改善CO/H2选择性与稳定性；与PEC耦合可进一步降低阴极过电位需求。

（3）代表性进展：

BiVO4/NiFe‑Ov光阳极（AM 1.5G，1.23 VRHE下6.51 mA·cm⁻2）耦合单原子Co‑N5阴极，在H型池实现CO 109.4 μmol·cm⁻2·h⁻1、CO法拉第效率>90%；与硅太阳能电池集成后，太阳能到化学品转换效率达5.41%。

半导体量子点（如CdSe/CdS QDs）在可见光下将CO2还原为CO，报道的速率可达~412.8 mmol·g⁻1·h⁻1、选择性~96.5%、AQY32.7%；并实现了与有机氧化偶联的“无牺牲剂”耦合体系，同步获得频哪醇等高附加值产物。

 

四、实验设备选型与搭建建议

4.1光源与光路：

• 模拟太阳：氙灯（如300–500 W级）配AM 1.5G滤光/光学积分球；单色/窄带需求选LED（如365/405/450/520 nm）或单色仪。
• ：光功率计（监测mW·cm⁻2）、光阑/均匀器、反应池恒温与搅拌控制。

4.2.反应与电化学池：

• 光催化：批量/流动式光化学反应仪（玻璃或高压釜型），液相常压；高压体系需耐压视窗与爆破片。
• PEC：H型双室（离子交换膜分隔）、工作电极（ITO/FTO/半导体薄膜/光电极）、参比（Ag/AgCl/Hg/HgO）、对电极（Pt/石墨毡）；可升级为三电极与薄层流动池。
• GDE：气体扩散电极（碳纸/碳布+PTFE疏水层+催化层）、流动电解池或MEA结构，配MFC与背压控制。

4.3检测与计量：

• 气相产物：GC（TCD/FID）定量CO、CO2、CH4、H2；13CO2同位素示踪确认碳源。
• 液相产物：1H/13C NMR、LC‑MS/GC‑MS；离子色谱（甲酸根/醋酸根）。
• 电化学表征：LSV、EIS、IPCE、ABPE；稳定性（计时电流/恒电位长时运行）。

4.4选型要点：

• 目标产物与选择性优先决定催化剂与检测方案（如CO/H2分离用FID+TCD）；
• 传质需求决定池型（批量<流动）；
• 光谱需求决定光源与光路（单色/宽带/均匀照明）；
• 计量学要求决定校准（外标、标准气、同位素）与数据不确定度评估。

五、设备配置

技术类型	关键指标	设备配置示例
光催化（常压/高压）	光源波长、CO₂溶解度	氙灯光源+高压反应釜+GC
光电催化	光电流密度、起始电位	电化学工作站+石英窗口电解池+光源
气体扩散电催化	电流密度、产物选择性	RDE+气体扩散电极+离子色谱