在全球加速推進(jìn)碳中和的進(jìn)程中，高效的能量轉(zhuǎn)換與碳循環(huán)技術(shù)至關(guān)重要。浸入式光催化反應(yīng)器憑借的多場耦合特性，為碳中和目標(biāo)提供了創(chuàng)新解決方案。本文系統(tǒng)剖析浸入式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征，深入探究熱 - 光 - 電多場在液相環(huán)境中的耦合機(jī)制，重點(diǎn)分析其在二氧化碳資源化轉(zhuǎn)化、高效析氫等碳中和關(guān)鍵反應(yīng)中的應(yīng)用范式，同時(shí)針對多場協(xié)同中的界面調(diào)控、能量耗散等挑戰(zhàn)提出應(yīng)對策略，旨在為構(gòu)建基于浸入式反應(yīng)器的碳中和技術(shù)體系提供理論與實(shí)踐參考。

一、引言

      隨著《巴黎協(xié)定》的深入推進(jìn)，全球主要經(jīng)濟(jì)體紛紛提出碳中和目標(biāo)，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與碳循環(huán)技術(shù)創(chuàng)新。傳統(tǒng)氣相光催化體系面臨傳質(zhì)效率低、反應(yīng)界面局限等瓶頸，而浸入式光催化反應(yīng)器將催化劑直接浸入反應(yīng)溶液，通過液相環(huán)境強(qiáng)化傳質(zhì)過程，為多場耦合效應(yīng)提供了全新載體。當(dāng)光場激發(fā)催化劑產(chǎn)生載流子時(shí)，液相環(huán)境中的熱場分布與電場調(diào)控會(huì)呈現(xiàn)的協(xié)同規(guī)律 —— 不同于氣相體系的熱擴(kuò)散模式，液相中的熱對流效應(yīng)能顯著改變催化劑表面溫度梯度；而電解液中的離子遷移與界面電場的相互作用，也為載流子分離創(chuàng)造了新的調(diào)控維度。這種在液相環(huán)境中構(gòu)建的熱 - 光 - 電多場耦合體系，有望突破傳統(tǒng)光催化的效率瓶頸，為 CO?還原、水分解等反應(yīng)提供更高效的技術(shù)路徑。

二、浸入式光催化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與工作特性

（1）反應(yīng)器典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浸入式光催化反應(yīng)器通常采用 “催化劑浸沒 - 光源入射 - 電解液循環(huán)” 的基本架構(gòu)。根據(jù)催化劑負(fù)載方式可分為顆粒懸浮型與固定膜型兩類：顆粒懸浮型通過磁力攪拌或鼓泡使催化劑顆粒在溶液中均勻分散，增大反應(yīng)界面面積，但存在催化劑回收困難的問題；固定膜型則將催化劑負(fù)載于多孔基底（如鈦網(wǎng)、石墨烯泡沫）上，形成三維立體反應(yīng)界面，既便于操作又能減少催化劑流失。光源系統(tǒng)多采用 LED 陣列或氙燈，通過石英窗口實(shí)現(xiàn)光輻射穿透，部分反應(yīng)器還集成了溫控夾套或熱電模塊，用于精確調(diào)控反應(yīng)溫度場。例如，中科院大連化物所開發(fā)的浸入式反應(yīng)器，采用核殼結(jié)構(gòu) TiO?@黑磷納米片負(fù)載于 316L 不銹鋼網(wǎng)上，配合波長可調(diào)的 LED 光源與恒溫水浴系統(tǒng)，在 CO?還原反應(yīng)中展現(xiàn)出優(yōu)異的多場響應(yīng)特性。

（2）液相環(huán)境中的光傳輸特性

與氣相環(huán)境相比，液相介質(zhì)對光的吸收與散射效應(yīng)更為復(fù)雜。反應(yīng)溶液中的溶質(zhì)（如電解質(zhì)、反應(yīng)物分子）會(huì)與入射光發(fā)生相互作用：紫外光段易被水和電解質(zhì)中的雜質(zhì)吸收，可見光段則受溶液濁度影響顯著。研究表明，當(dāng)溶液中存在 10 mg/L 的腐殖酸時(shí)，400-700 nm 光的透射率可下降 30% 以上。為優(yōu)化光利用效率，反應(yīng)器設(shè)計(jì)需考慮：①選擇高透光率的石英或氟橡膠材質(zhì)作為窗口材料；②通過超聲預(yù)處理或添加分散劑減少催化劑團(tuán)聚，降低光散射損耗；③采用多角度光源入射設(shè)計(jì)，如頂部與側(cè)部組合光照，提高光輻射均勻性。北京化工大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過 COMSOL 仿真發(fā)現(xiàn)，在浸入式反應(yīng)器中采用環(huán)形光源陣列，可使催化劑表面光強(qiáng)分布均勻性提升 42%，顯著改善局部光生載流子的產(chǎn)生效率。

（3）熱傳遞與溫度場分布特征

浸入式體系的熱傳遞路徑包括：催化劑光熱轉(zhuǎn)換→液相熱傳導(dǎo)→對流散熱→反應(yīng)器壁面熱交換。由于液體的熱導(dǎo)率（水約 0.6 W/m?K）遠(yuǎn)高于氣體（空氣約 0.026 W/m?K），反應(yīng)器內(nèi)容易形成局部溫度梯度。當(dāng)光熱材料（如 Au 納米顆粒）受光激發(fā)產(chǎn)生局域高溫時(shí)，液相中的自然對流會(huì)形成熱羽流效應(yīng)，將熱量向周圍傳遞。清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用紅外熱成像技術(shù)觀察到，在 TiO?@Cu?O 復(fù)合催化劑表面，光熱效應(yīng)可產(chǎn)生 5-10℃的溫度波動(dòng)，而液相對流能在 10 秒內(nèi)將溫度差擴(kuò)散至整個(gè)反應(yīng)體系的 1/3 區(qū)域。這種熱分布特性既可能通過溫度梯度促進(jìn)載流子分離（塞貝克效應(yīng)），也可能因局部過熱導(dǎo)致催化劑活性位點(diǎn)失活，需要在反應(yīng)器設(shè)計(jì)中進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。

三、浸入式體系中熱 - 光 - 電多場耦合機(jī)制

（1）光 - 熱耦合的液相增強(qiáng)效應(yīng)

在浸入式環(huán)境中，光熱材料的能量轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)規(guī)律：一方面，液相的高比熱容（水 4.2 kJ/kg?K）能有效吸收光熱材料產(chǎn)生的熱量，避免催化劑因過熱燒結(jié)；另一方面，溶質(zhì)分子與光熱材料表面的相互作用會(huì)改變熱電子弛豫過程。例如，當(dāng)水中存在 CO?分子時(shí)，Au 納米顆粒的局域表面等離子體共振（LSPR）誘導(dǎo)熱電子壽命可從氣相中的 50 fs 延長至 120 fs，這是由于 CO?分子的吸附改變了納米顆粒表面的電子云分布，延緩了熱電子與晶格的能量交換。這種延長的熱電子壽命使得光生載流子有更充足的時(shí)間參與還原反應(yīng)，在 CO?加氫制甲酸的反應(yīng)中，液相光熱耦合體系的量子效率比氣相體系提高 2.3 倍。

（2）電 - 熱耦合的界面調(diào)控機(jī)制

浸入式反應(yīng)器中的電場調(diào)控通常通過三種方式實(shí)現(xiàn)：外部偏壓施加、電解液離子遷移、催化劑內(nèi)建電場。當(dāng)在反應(yīng)體系中施加直流電場時(shí)，電解液中的離子（如 OH?、H?）會(huì)定向遷移，在催化劑表面形成雙電層，這種電雙層效應(yīng)能顯著改變載流子的分離效率。武漢理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)在研究 BiVO?光電極時(shí)發(fā)現(xiàn)，施加 0.3 V vs. RHE 的偏壓可使光生電子 - 空穴分離效率從 35% 提升至 72%，同時(shí)電場驅(qū)動(dòng)的離子遷移會(huì)產(chǎn)生電滲流效應(yīng)，強(qiáng)化催化劑表面的傳質(zhì)過程，使 CO?還原速率提高 1.8 倍。此外，熱電效應(yīng)在液相環(huán)境中表現(xiàn)更為顯著，當(dāng)催化劑表面存在 5℃的溫度梯度時(shí)，由塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生的電勢差可達(dá) 25 mV，這一電勢與光生載流子的相互作用會(huì)形成協(xié)同驅(qū)動(dòng)力，優(yōu)化載流子的傳輸路徑。

（3）多場協(xié)同下的載流子動(dòng)力學(xué)

在浸入式多場耦合體系中，光生載流子的行為受光、熱、電三重因素調(diào)控：光激發(fā)產(chǎn)生載流子，熱場影響載流子的遷移速率（溫度每升高 10℃，遷移率提高約 8%），電場則主導(dǎo)載流子的分離方向。通過原位表面光電壓譜（SPV）研究發(fā)現(xiàn)，在光 - 熱 - 電協(xié)同作用下，TiO?催化劑的載流子壽命從單純光催化的 2.3 μs 延長至 5.7 μs，這是由于熱場促進(jìn)了電子向表面缺陷位點(diǎn)的遷移，而電場抑制了電子 - 空穴的復(fù)合。這種載流子動(dòng)力學(xué)的優(yōu)化在水分解反應(yīng)中表現(xiàn)為：多場耦合體系的析氫速率達(dá)到 2.8 mmol?g?1?h?1，是單純光催化的 3.5 倍，且法拉第效率超過 95%，證明多場協(xié)同能有效提高能量利用效率。

（4）液相界面的多場耦合模型

基于上述機(jī)制，可構(gòu)建浸入式體系的多場耦合理論模型：以光吸收方程（Beer-Lambert 定律）為光場基礎(chǔ)，結(jié)合熱傳導(dǎo)方程（傅里葉定律）與電場泊松方程，通過 COMSOL Multiphysics 建立多物理場耦合模型。模型計(jì)算表明，在光強(qiáng) 100 mW/cm2、溫度 40℃、外加電場 0.5 V 的條件下，催化劑表面的載流子濃度可達(dá) 1.2×101? cm?3，是單一光催化體系的 4.1 倍。該模型還揭示了關(guān)鍵參數(shù)的交互作用：當(dāng)光熱產(chǎn)生的局部溫度超過 60℃時(shí)，電場對載流子的分離效應(yīng)會(huì)因電解液粘度降低而減弱，因此存在最佳溫度 - 電場匹配區(qū)間（通常溫度 30-50℃，電場 0.2-0.4 V）。這種理論建模為反應(yīng)器的參數(shù)優(yōu)化提供了定量依據(jù)，推動(dòng)多場耦合技術(shù)從經(jīng)驗(yàn)探索向理論指導(dǎo)轉(zhuǎn)變。

四、多場耦合在碳中和反應(yīng)中的應(yīng)用范式

1.CO?資源化轉(zhuǎn)化的浸入式解決方案

（1）光熱 - 電化學(xué)協(xié)同 CO?還原制甲醇

構(gòu)建 “光熱材料 - 半導(dǎo)體 - 電解液” 三元體系是實(shí)現(xiàn)高效 CO?轉(zhuǎn)化的有效路徑。將具有 LSPR 效應(yīng)的 Ag 納米顆粒修飾于 BiVO?光電極表面，浸入含有 0.1 M KHCO?的電解液中，在 AM 1.5G 光照下可實(shí)現(xiàn) CO?向甲醇的轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)光熱效應(yīng)使電極表面溫度維持在 45℃時(shí)，甲醇產(chǎn)率達(dá)到 18.7 μmol?cm?2?h?1，是常溫下的 2.6 倍，且選擇性超過 92%。這一提升源于多場協(xié)同效應(yīng)：光熱激發(fā) Ag 產(chǎn)生的熱電子注入 BiVO?導(dǎo)帶，提高電子濃度；溫度升高促進(jìn) CO?在電解液中的溶解度（45℃時(shí) CO?溶解度比 25℃高 17%）；電場則加速 HCO??向電極表面的遷移，提供充足的碳源。上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過原位拉曼光譜證實(shí)，在多場作用下，反應(yīng)中間產(chǎn)物 * COOH 的吸附能從 1.2 eV 降低至 0.8 eV，顯著降低了反應(yīng)活化能。

（2）光電芬頓體系降解工業(yè)廢氣中的 CO?前驅(qū)體

針對工業(yè)廢氣中的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）等 CO?前驅(qū)體，浸入式光電芬頓反應(yīng)器展現(xiàn)出優(yōu)勢。以 TiO?納米管陣列作為光陽極，石墨作為陰極，浸入含有 Fe2?的電解液中，在 300 W 氙燈照射下，對甲苯的降解速率可達(dá) 0.78 mmol?L?1?h?1，礦化率超過 85%。該體系的多場耦合機(jī)制為：光陽極產(chǎn)生的空穴氧化 H?O 生成?OH 自由基，電場驅(qū)動(dòng) Fe2?/Fe3?的循環(huán)再生（電流效率 91%），而反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量（約使體系溫度升高 8-10℃）加速了甲苯的液相擴(kuò)散。更重要的是，該過程將 VOCs 直接轉(zhuǎn)化為 CO?并固定于碳酸鹽體系中，避免了二次污染，為工業(yè)源碳減排提供了新途徑。浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的流動(dòng)式浸入反應(yīng)器，通過連續(xù)進(jìn)料方式處理汽車尾氣模擬氣，可實(shí)現(xiàn) 92% 的 VOCs 去除率，同時(shí)將 CO?捕獲效率提升至 78%。

2.高效析氫的多場耦合技術(shù)突破

（1）光熱 - 壓電協(xié)同水分解制氫

將具有壓電效應(yīng)的 ZnO 納米線與光熱材料 GO-Au 復(fù)合，構(gòu)建浸入式多場耦合體系。當(dāng)超聲波（20 kHz）作用于 ZnO 納米線時(shí)，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電勢差（約 0.8 V）與光生載流子形成協(xié)同驅(qū)動(dòng)力，而 GO-Au 的光熱效應(yīng)使局部溫度升高至 55℃。這種多場協(xié)同使水分解的析氫速率達(dá)到 3.2 mmol?g?1?h?1，是單一光催化的 4.3 倍，且量子效率在 420 nm 處達(dá)到 68%。機(jī)理研究表明，溫度升高使水的離解常數(shù)（Kw）從 10?1?增至 1.5×10?13，提供更多的 H?；壓電電場將光生電子的遷移速率從 1.2×10?3 cm2/V?s 提升至 3.8×10?3 cm2/V?s，減少了復(fù)合損失。哈爾濱工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過原位電化學(xué)阻抗譜發(fā)現(xiàn)，多場作用下催化劑的電荷轉(zhuǎn)移電阻從 280 Ω 降至 65 Ω，證明界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)得到顯著改善。

（2）熱電 - 光電耦合的全分解水系統(tǒng)

設(shè)計(jì) “熱電模塊 - 光電極 - 電解液” 集成系統(tǒng)，利用反應(yīng)過程中的廢熱發(fā)電以增強(qiáng)光電催化。將 Bi?Te?熱電模塊貼合于 TiO?光電極背面，當(dāng)光催化水分解產(chǎn)生的熱量使模塊兩端形成 15℃的溫差時(shí)，可產(chǎn)生 0.12 V 的電勢，這一電壓與外部施加的 0.3 V 偏壓疊加，使光電流密度從 1.8 mA/cm2 提升至 3.1 mA/cm2。該系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于能量的閉環(huán)利用：光催化產(chǎn)生的化學(xué)能（氫氣）與熱電轉(zhuǎn)換的電能相互補(bǔ)充，整體能量效率達(dá)到 12.7%，比傳統(tǒng)光電催化系統(tǒng)提高 41%。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的中試規(guī)模系統(tǒng)，在連續(xù)運(yùn)行 1000 小時(shí)后，析氫速率衰減僅 5%，展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，為太陽能制氫的工業(yè)化應(yīng)用提供了技術(shù)原型。

五、多場耦合過程的關(guān)鍵挑戰(zhàn)與應(yīng)對策略

（1）界面多場調(diào)控的復(fù)雜性

浸入式體系中催化劑 - 溶液 - 光熱 / 電極界面的多場交互作用極為復(fù)雜，突出表現(xiàn)為：①光熱材料與半導(dǎo)體的能級匹配問題，如 Au 與 TiO?的肖特基勢壘高度易受溶液 pH 影響，當(dāng) pH 從 3 升至 11 時(shí)，勢壘高度從 0.5 eV 降至 0.3 eV，改變載流子傳輸方向；②電解液離子濃度對電場分布的影響，當(dāng) KCl 濃度從 0.01 M 增至 0.1 M 時(shí)，雙電層厚度從 100 nm 減至 10 nm，削弱了電場對載流子的分離效應(yīng)。應(yīng)對策略包括：①采用原子層沉積（ALD）技術(shù)在光熱材料表面包覆超薄絕緣層（如 Al?O?，厚度 2-3 nm），既保持光熱轉(zhuǎn)換效率，又調(diào)控界面能級；②設(shè)計(jì) pH 響應(yīng)型催化劑載體，如聚多巴胺修飾的 TiO?，通過表面質(zhì)子化狀態(tài)調(diào)節(jié)界面電勢。中科院物理所團(tuán)隊(duì)采用 ALD 制備的 Au@Al?O?@TiO?核殼結(jié)構(gòu)，在 pH 7 的電解液中仍能保持 0.45 eV 的穩(wěn)定勢壘，使載流子分離效率提升至 85%。

（2）能量耗散與利用效率瓶頸

多場耦合過程中存在多種能量耗散途徑：光反射與吸收損耗（約 30-40%）、熱傳導(dǎo)散熱（液相中約 15-20%）、電阻熱效應(yīng)（電場施加時(shí)約 10-15%）。這些損耗導(dǎo)致系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率難以突破 30%。解決途徑包括：①光學(xué)優(yōu)化：采用光子晶體結(jié)構(gòu)（如 TiO?反蛋白石結(jié)構(gòu)）增強(qiáng)光捕獲，將光吸收效率從 60% 提升至 85%；②熱管理：設(shè)計(jì)微通道反應(yīng)器，通過強(qiáng)制對流將熱損失降至 5% 以下；③能量回收：在反應(yīng)器出口設(shè)置熱電發(fā)電機(jī)，回收散熱能量，日本東京大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的集成系統(tǒng)，可將 12% 的散熱能量轉(zhuǎn)化為電能，用于驅(qū)動(dòng)外部電場。

（3）催化劑穩(wěn)定性與失活機(jī)制

浸入式環(huán)境中的催化劑面臨更嚴(yán)苛的失活挑戰(zhàn)：①光熱效應(yīng)導(dǎo)致的燒結(jié)團(tuán)聚，如 Pt 納米顆粒在 60℃液相中長時(shí)間運(yùn)行會(huì)發(fā)生奧斯特瓦爾德熟化，粒徑從 5 nm 增至 20 nm；②電化學(xué)腐蝕，在施加偏壓時(shí)，BiVO?光電極的 V 溶解速率可達(dá) 0.1 μg/cm2?h；③有機(jī)物吸附中毒，如反應(yīng)溶液中的腐殖酸會(huì)覆蓋催化劑活性位點(diǎn)，使反應(yīng)速率下降 40% 以上。應(yīng)對策略包括：①表面包覆抗燒結(jié)層，如用 La 摻雜的 CeO?包覆 Pt，使燒結(jié)溫度從 400℃提升至 650℃；②原子層沉積保護(hù)涂層，在 BiVO?表面沉積 5 nm 的 SrTiO?，可使 V 溶解速率降低 90%；③設(shè)計(jì)自清潔催化體系，如在 TiO?中引入 Fe3?，通過光生空穴氧化有機(jī)物實(shí)現(xiàn)原位再生。華南理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的 Fe3?-TiO?催化劑，在處理含腐殖酸廢水時(shí)，連續(xù)運(yùn)行 500 小時(shí)后活性保持率超過 90%。

（4）反應(yīng)器工程化放大難題

從實(shí)驗(yàn)室小試到工程化應(yīng)用，浸入式反應(yīng)器面臨放大效應(yīng)挑戰(zhàn)：①光強(qiáng)分布不均，當(dāng)反應(yīng)器直徑從 5 cm 增至 50 cm 時(shí)，中心與邊緣的光強(qiáng)差從 10% 擴(kuò)大至 40%；②溫度場不一致，大型反應(yīng)器中的熱傳導(dǎo)延遲導(dǎo)致局部過熱（溫差可達(dá) 15℃）；③傳質(zhì)效率下降，體積增大使電解液循環(huán)時(shí)間從 1 分鐘延長至 10 分鐘，影響反應(yīng)物供給。解決措施包括：①采用分區(qū)光照設(shè)計(jì)，將反應(yīng)器劃分為多個(gè)光控單元，每個(gè)單元配備獨(dú)立光源；②構(gòu)建三維熱管理網(wǎng)絡(luò)，通過微通道陣列與相變材料結(jié)合，將溫差控制在 3℃以內(nèi)；③開發(fā)多入口噴射流系統(tǒng)，利用流體動(dòng)力學(xué)模擬優(yōu)化流場，使傳質(zhì)系數(shù)提升 3 倍。德國 BASF 公司開發(fā)的 100 L 規(guī)模浸入式反應(yīng)器，通過上述工程優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了與小試裝置相當(dāng)?shù)?CO?還原效率（誤差 < 5%），為工業(yè)化應(yīng)用奠定

六、總結(jié)

      光催化反應(yīng)器中熱-光-電多場耦合是實(shí)現(xiàn)高效碳中和的核心技術(shù)路徑之一，其發(fā)展需突破材料設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成與規(guī)模化應(yīng)用瓶頸。未來需進(jìn)一步結(jié)合人工智能、跨學(xué)科技術(shù)及政策支持，推動(dòng)從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化的跨越，為全球碳中和目標(biāo)提供可持續(xù)解決方案。 

產(chǎn)品展示

      SSC-IMPCR100浸入式光催化反應(yīng)器，采用石英導(dǎo)光柱，端面特殊的光路結(jié)構(gòu)，浸入反應(yīng)溶液后，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光柱可以360°全面照射反應(yīng)液，與反應(yīng)液全面接觸，提高光子利用效率；解決了原有常規(guī)光反應(yīng)器反應(yīng)釜，揮發(fā)液體阻擋光路、光程過長降低光照強(qiáng)度、多次界面反射等問題，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)液和光子的直接接觸和反應(yīng)。