隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，尋找可再生的清潔能源成為全人類共同面臨的挑戰(zhàn)。太陽能取之不盡，用之不竭，是一種理想的可再生能源，但由于天氣、地理和晝夜交替等客觀因素，它存在不連續(xù)性和波動(dòng)性的缺點(diǎn)。
光伏電催化分解水技術(shù)不僅克服太陽能間歇性和波動(dòng)性的缺陷，還能將太陽能轉(zhuǎn)換成可儲(chǔ)存、運(yùn)輸、燃燒熱值高的清潔能源——氫能，也給未來太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)指引了一個(gè)可研究的方向[1]。
光伏電催化分解水是通過光伏器件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，然后利用催化劑將水電催化分解為氫氣和氧氣。
1. 可再生能源：光伏電催化分解水技術(shù)利用太陽能作為能源，具有可再生、無污染等特點(diǎn)。
2. 清潔能源：分解水中的氫氣燃燒產(chǎn)物僅為水，不產(chǎn)生溫室氣體排放，是一種清潔能源。
3. 氫氣作為燃料：氫氣可作為燃料，與其他可再生能源結(jié)合，為能源多元化提供新的解決方案。
4. 應(yīng)用廣泛：光伏電催化分解水技術(shù)可應(yīng)用于交通、工業(yè)、家庭等領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型提供可能。
光伏電催化分解水是一項(xiàng)潛力巨大的技術(shù)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨一些困難和挑戰(zhàn)，主要集中在以下幾個(gè)方面：
1.效率問題：光伏電催化分解水是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再將電能用于催化劑催化水分解，在這個(gè)過程中存在能量損失，如何提高整體效率是關(guān)鍵重點(diǎn)。
2.催化劑選擇和設(shè)計(jì)：尋找高效穩(wěn)定且低成本的催化劑是光伏電催化分解水技術(shù)的關(guān)鍵。它們需要具備高效催化水分解的能力，并且需要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，且不會(huì)受到催化劑中毒或腐蝕等問題的影響。
3.系統(tǒng)集成：如何將光伏器件、電解槽、催化劑等組件高效集成，降低系統(tǒng)成本，是需要解決的問題。
4.穩(wěn)定性與耐久性：在光伏電催化分解水中，儀器設(shè)備以及材料面臨高能量光照、電解液中的時(shí)刻不停的化學(xué)反應(yīng)以及長(zhǎng)期使用的考驗(yàn)。因此，需要提高光伏電催化分解水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐久性，以保證其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性。
5.規(guī)模化問題：將光伏電催化分解水技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模擴(kuò)展到工業(yè)生產(chǎn)仍然具有巨大的挑戰(zhàn)。需要建立大規(guī)模的生產(chǎn)和可以擴(kuò)展的基礎(chǔ)平臺(tái)，并解決大規(guī)模生產(chǎn)中的穩(wěn)定性和可控性問題。
提高電解效率的方法[2]
光伏電催化分解水技術(shù)具有廣闊的未來發(fā)展前景，提高光伏電催化分解水的方法主要有以下幾種。
1.新型催化劑：研究人員將繼續(xù)探索更高效、更穩(wěn)定的催化劑，這些催化劑可以在各種條件下工作，并且在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)失效。
2.系統(tǒng)集成：集成不同的組件，模塊，并且進(jìn)行優(yōu)化，例如選擇更具有性價(jià)比的離子交換膜，優(yōu)化光伏電池，提高電池壽命容量，開發(fā)更具有價(jià)值的電極等。
3.提高能源利用效率：例如通過設(shè)計(jì)，使光伏電池板可以追蹤太陽位置，時(shí)刻處于最強(qiáng)光照方向；優(yōu)化電解槽設(shè)計(jì)，使電解液與催化劑充分接觸，提高反應(yīng)效率。
4.混合電源系統(tǒng)：通過集成多個(gè)電源來確保不間斷運(yùn)行，或者通過組合兩個(gè)或多個(gè)配置來達(dá)到最大效果，從而提高系統(tǒng)的效率。
5.混合動(dòng)力：將光伏電解水的能量來源擴(kuò)展至風(fēng)能，地?zé)崮艿龋⒙?lián)或者串聯(lián)其他裝置，將應(yīng)用擴(kuò)展到電、熱、冷需求上，使之在零碳排放的現(xiàn)代能源中擴(kuò)展更多的可能性。
光伏電催化未來發(fā)展趨勢(shì)[2]
為了幫助廣大科研人員更好的探索光伏發(fā)電與電催化耦合制備綠色燃料技術(shù)，泊菲萊科技推出戶外實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)——PLR-PVERS系列太陽能光伏光電（電）催化反應(yīng)系統(tǒng)。
PLR-PVERS系列太陽能光伏光電（電）催化反應(yīng)系統(tǒng)由光伏設(shè)備、定制化催化反應(yīng)器、循環(huán)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、支撐框架、收集及排放系統(tǒng)和配附設(shè)備等構(gòu)成。
催化反應(yīng)器分為純電催化反應(yīng)器和帶光窗的光電催化反應(yīng)器，旨在構(gòu)建光伏+光電（電）催化產(chǎn)氫的反應(yīng)裝置，實(shí)現(xiàn)在酸堿溶液條件下光電（電）催化分解水產(chǎn)氫產(chǎn)氧，其催化產(chǎn)氫效率達(dá)到10 L/h級(jí)，可滿足戶外使用的需求。
實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，最大化利用太陽光
PLR-PVERS系列太陽能光伏光電（電）催化反應(yīng)系統(tǒng)配套光伏板配備輻照檢測(cè)器，實(shí)時(shí)測(cè)定光伏板所在環(huán)境的光伏照強(qiáng)度，根據(jù)輻照強(qiáng)度調(diào)整光伏板傾斜角度，使得光伏板的光能利用率最大化。
板式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，提高電催化反應(yīng)效率
PLR-PVERS系列太陽能光伏光電（電）催化反應(yīng)系統(tǒng)配置反應(yīng)器為板式反應(yīng)結(jié)構(gòu)，與同體積釜式電解槽相比大大提高電極催化材料的面積，使得催化劑能更有效地與反應(yīng)物接觸；
薄層結(jié)構(gòu)減小溶液層厚度，減少因擴(kuò)散速率低導(dǎo)致的反應(yīng)物分布不均，降低副反應(yīng)的發(fā)生，提高產(chǎn)物選擇性；
流動(dòng)體系可提高催化過程中電子和質(zhì)子的傳遞速率，提高反應(yīng)速率。
靈活的反應(yīng)器設(shè)計(jì)，滿足不同規(guī)模和條件下的反應(yīng)
PLR-PVERS系列太陽能光伏光電（電）催化反應(yīng)系統(tǒng)的板式結(jié)構(gòu)可根據(jù)需要進(jìn)行快速的擴(kuò)展和優(yōu)化，反應(yīng)器尺寸可選5×5、10×10、15×15、20×20、25×25 cm²，也可接受定制，配套相應(yīng)的光伏供電系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)，滿足不同規(guī)模和條件下的產(chǎn)量和效率要求。
還可定制帶光窗的光電催化反應(yīng)器，受光面積達(dá)到625 cm² (25 cm×25 cm)，反應(yīng)過程中催化劑受光面積更大，可實(shí)時(shí)調(diào)整反應(yīng)器的角度，提高催化劑的光照效率。
多功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保證規(guī)模化產(chǎn)氫的安全可控
PLR-PVERS系列太陽能光伏光電（電）催化反應(yīng)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)光照強(qiáng)度、電壓、電流、氫氣產(chǎn)量、pH值、溫度等參數(shù)，以調(diào)節(jié)反應(yīng)條件和優(yōu)化反應(yīng)效果。
分級(jí)循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)，保證反應(yīng)效率及產(chǎn)物的及時(shí)分離
PLR-PVERS系列太陽能光伏光電（電）催化反應(yīng)系統(tǒng)采用微型水泵推動(dòng)液體流動(dòng)，使反應(yīng)溶液與電極充分接觸。同時(shí)，產(chǎn)物端配置氣泵，及時(shí)將反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物從液體中分離收集，有效提高循環(huán)效率與反應(yīng)效率。
參考文獻(xiàn)
[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.
