一、引言

      在全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，氫能憑借其清潔、高效、能量密度高等優(yōu)勢，成為具有潛力的新型能源載體。光解水制氫技術(shù)，作為一種直接利用太陽能將水分解為氫氣和氧氣的綠色制氫途徑，備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)光解水體系受限于單波長光源激發(fā)，量子效率較低，極大地阻礙了其規(guī)?；瘧?yīng)用進(jìn)程。近年來，雙光路 LED 光化學(xué)反應(yīng)儀的問世，為光解水制氫研究帶來了新的突破契機，通過雙波長協(xié)同激發(fā)，可有效拓展光催化劑的光譜響應(yīng)范圍，提升光生載流子的分離與利用效率，從而顯著提高量子效率。

二、光解水制氫的原理與挑戰(zhàn)

      光解水制氫的基本原理基于半導(dǎo)體光催化反應(yīng)。當(dāng)能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度（Eg）的光子照射到光催化劑表面時，價帶（VB）上的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶（CB），形成光生電子 - 空穴對。隨后，光生電子遷移至催化劑表面，將水中的質(zhì)子還原為氫氣（2H++2e?→H2）；光生空穴則參與水的氧化反應(yīng)，生成氧氣（2H2O+4h+→O2+4H+）。

      實際光解水過程面臨諸多挑戰(zhàn)，其中最關(guān)鍵的是量子效率的提升難題。一方面，單一半導(dǎo)體光催化劑的禁帶寬度限制了其對太陽光光譜的吸收范圍。例如，TiO?作為經(jīng)典光催化劑，禁帶寬度約為 3.2 eV，僅能吸收波長小于 387 nm 的紫外光，而紫外光在太陽光中占比不足 5%，導(dǎo)致光能利用率極低。另一方面，光生電子 - 空穴對極易發(fā)生復(fù)合，降低了參與光解水反應(yīng)的有效載流子數(shù)量，嚴(yán)重制約量子效率。據(jù)統(tǒng)計，在傳統(tǒng)單波長光激發(fā)下，多數(shù)光催化劑的量子效率僅在 1% - 5% 之間徘徊。

三、雙光路 LED 光化學(xué)反應(yīng)儀的工作機制

（一）雙光路系統(tǒng)設(shè)計

      雙光路 LED 光化學(xué)反應(yīng)儀突破了傳統(tǒng)單光路的局限，構(gòu)建了獨立可控的雙光路并行架構(gòu)。該系統(tǒng)通常配備兩組不同波長的 LED 光源模塊，可精準(zhǔn)輸出從紫外到可見光波段的特定波長光線，如常見的 365 nm 紫外光與 450 nm 藍(lán)光組合，或 420 nm 藍(lán)光與 520 nm 綠光搭配等。通過精密的光學(xué)元件，如光纖、反射鏡與透鏡組，兩組光路的光線能夠高效耦合，以同軸或交叉方式聚焦于反應(yīng)區(qū)域，確保反應(yīng)體系均勻接收雙波長光照。

（二）雙波長協(xié)同激發(fā)機制

1. 拓展光譜響應(yīng)范圍：不同波長的光對應(yīng)不同的光子能量，雙光路 LED 光化學(xué)反應(yīng)儀利用這一特性，使兩種光子協(xié)同作用于光催化劑。例如，當(dāng) 365 nm 紫外光激發(fā)寬禁帶半導(dǎo)體（如 TiO?）產(chǎn)生電子 - 空穴對時，450 nm 藍(lán)光可同步激發(fā)窄禁帶半導(dǎo)體（如 CdS 量子點）。CdS 吸收藍(lán)光后產(chǎn)生的光生電子，可通過異質(zhì)結(jié)界面轉(zhuǎn)移至 TiO?的導(dǎo)帶，補充 TiO?因光生載流子復(fù)合損失的電子，從而有效拓展光催化劑對可見光的響應(yīng)，提升整體光譜利用率。

2. 促進(jìn)光生載流子分離：雙波長協(xié)同激發(fā)還能優(yōu)化光生載流子的分離過程。在雙光路照射下，不同半導(dǎo)體材料因能帶結(jié)構(gòu)差異，產(chǎn)生的光生電子與空穴具有不同的遷移方向。例如，在 TiO?/CdS 異質(zhì)結(jié)體系中，TiO?導(dǎo)帶上的電子傾向于遷移至 CdS 表面參與質(zhì)子還原，而 CdS 價帶上的空穴則遷移至 TiO?表面進(jìn)行水的氧化反應(yīng)。這種空間上的載流子定向遷移，有效減少了電子 - 空穴對的復(fù)合幾率，顯著提升了光生載流子的分離效率。

四、性能提升與實驗驗證

（一）量子效率顯著提高

      眾多實驗結(jié)果表明，雙光路 LED 光化學(xué)反應(yīng)儀在光解水制氫中展現(xiàn)出性能，可大幅提升量子效率。如德國某研究團(tuán)隊以 365 nm 紫外光與 520 nm 可見光的雙光路系統(tǒng)，對 TiO?/CdS 復(fù)合光催化劑進(jìn)行測試，結(jié)果顯示產(chǎn)氫速率達(dá)到 1.2 mmol/h，較單 365 nm 紫外光催化時提升了 4 倍，量子效率從 3% 躍升至 12%。美國斯坦福大學(xué)采用 420 nm 藍(lán)光與 590 nm 橙光的雙波長組合，在對 g - C?N?/ZnO 復(fù)合催化劑的光解水實驗中，將量子效率從 5% 提升至 18%，產(chǎn)氫性能提升。

（二）反應(yīng)穩(wěn)定性增強

      除了量子效率提升，雙光路 LED 光化學(xué)反應(yīng)儀還賦予光解水反應(yīng)更好的穩(wěn)定性。由于雙波長協(xié)同激發(fā)減少了光生載流子復(fù)合，降低了光催化劑表面因電荷積累引發(fā)的光腐蝕現(xiàn)象。日本某實驗室對 Pt - loaded TiO?/CdS 催化劑進(jìn)行 100 小時連續(xù)雙光路光解水測試，產(chǎn)氫速率僅下降 5%，而在單光路條件下，相同時間內(nèi)產(chǎn)氫速率下降超過 30%，充分證明了雙光路系統(tǒng)對反應(yīng)穩(wěn)定性的積極作用。

五、應(yīng)用前景與展望

（一）加速光解水制氫產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

      雙光路 LED 光化學(xué)反應(yīng)儀在提升光解水制氫量子效率與穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢，為該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展注入了強大動力。隨著儀器成本的降低與性能的進(jìn)一步優(yōu)化，有望在未來 5 - 10 年內(nèi)實現(xiàn)光解水制氫從實驗室到工業(yè)化示范的跨越。例如，在分布式能源領(lǐng)域，可利用該技術(shù)構(gòu)建小型化、模塊化的光解水制氫裝置，為偏遠(yuǎn)地區(qū)、海島等提供清潔、可靠的氫能源供應(yīng)。

（二）推動光催化劑研發(fā)創(chuàng)新

      該儀器為光催化劑的設(shè)計與研發(fā)提供了全新的實驗平臺，助力科研人員深入探究雙波長協(xié)同作用下光催化反應(yīng)機理，開發(fā)出更多高效、穩(wěn)定的新型光催化劑。未來，通過機器學(xué)習(xí)算法與雙光路實驗的結(jié)合，可實現(xiàn)光催化劑組成與結(jié)構(gòu)的快速篩選與優(yōu)化，加速新型光催化材料的問世，如基于黑磷、二維過渡金屬硫化物等新型半導(dǎo)體材料的光催化劑體系構(gòu)建。

（三）拓展光化學(xué)應(yīng)用邊界

      雙光路 LED 光化學(xué)反應(yīng)儀的成功應(yīng)用，不僅局限于光解水制氫領(lǐng)域，還將為其他光化學(xué)過程，如 CO?光催化還原、有機污染物光催化降解、光催化有機合成等帶來新的研究思路與技術(shù)手段。通過精準(zhǔn)調(diào)控雙波長光照參數(shù)，有望實現(xiàn)復(fù)雜光化學(xué)反應(yīng)的高效、定向進(jìn)行，推動光化學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)邁向新的高度。

產(chǎn)品展示

       SSC-PCRT120-2位雙光路LED光化學(xué)反應(yīng)儀，采用大功率LED雙面光路照射，采用PLC全面控制，實現(xiàn)各種操作需求，大幅提升催化劑的篩選實驗的效率，可以同時2位樣品實驗，實現(xiàn)了樣品在不同波長不同條件下的分析。SSC-PCRT120-2位雙光路LED光化學(xué)反應(yīng)儀主要用于研究氣相或液相介質(zhì)，固相或流動體系等條件下的光化學(xué)反應(yīng)；廣泛應(yīng)用光化學(xué)催化、化學(xué)合成、光催化降解、催化產(chǎn)氫、CO2光催化還原、光催化固氮、環(huán)境保護(hù)以及生命科學(xué)等研究領(lǐng)域。

產(chǎn)品優(yōu)勢：

1)采用雙側(cè)面照射，增加光照面積，是底或頂照光照面積的20倍；

2)2位均可獨立數(shù)控，攪拌、光強、多波長、通氣、抽真空；

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

4)實現(xiàn)2位反應(yīng)儀的同時攪拌，分別控制，更好的混合反應(yīng)物；

5)采用模塊化設(shè)計，可以根據(jù)需要波段，僅更換光照模塊即可實現(xiàn)多波段照射；

6)LED光源采用風(fēng)冷，無需濾光片，光照均勻；

7)LED光源采用一體化設(shè)計，匹配內(nèi)置控溫反應(yīng)管，使用便捷；

8)光源系統(tǒng)采用PLC全面控制，實現(xiàn)各種操作需求。