基于热力学模型解析低太阳能效材料在光电化学分离中的可行性及应用前景

为解决光电化学(PEC)系统因材料太阳能效(nS)不足导致成本竞争力差的问题，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究团队通过热力学建模，揭示了低效材料在化学分离领域的独特优势。研究发现，PEC分离系统通过调节界面氧化还原电位(φb)，可突破传统水分解反应的效率限制，实现与光伏(PV)相当的太阳能转换效率(ηSC)，为水处理(如PFAS去除)和资源回收(如锂提取)提供了低成本解决方案。该成果发表于《Nature Communications》，为可再生能源驱动的高效分离技术开辟了新路径。

　　

在碳中和背景下，如何利用太阳能直接驱动化学过程成为研究热点。传统光电化学(PEC)技术因依赖高太阳能效(n_S)材料面临成本瓶颈——高效半导体(如硅)易光腐蚀，而稳定的过渡金属氧化物效率低下。更棘手的是，经典PEC应用(如水分解)存在固有热力学限制：其太阳能效始终低于光伏(PV)系统。那么，是否存在一类对材料效率要求较低却能实现实际应用的PEC场景？

美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的Devashish Gokhale、Prashant K. Jain和Xiao Su团队将目光投向化学分离领域。不同于能量密集型的水分解(能耗≥237.2 kJ/mol)，分离过程(如去除ppb级污染物)的理论能耗可低15个数量级。通过建立包含非理想混合、流动损耗等修正项的热力学模型，研究人员首次证明：PEC分离系统通过"分离器-半导体匹配"策略，可规避传统PEC的热力学惩罚——通过调节氧化还原界面电位(φ_b)，使系统在任意半导体带隙(E_g)下均能达到与PV相当的峰值效率(图3d)。这种灵活性使得即便采用效率仅1%的二氧化钛等廉价材料，也能满足市政级水处理(如10 ppb PFAS去除)的能耗需求(图6a)。

研究采用多尺度建模方法：1) 基于吉布斯自由能建立分离过程最小功理论模型，引入能斯特修正和流动损耗校正；2) 采用Shockley-Queisser详细平衡极限计算半导体光电流密度(j_L)；3) 通过 phenomenological 模型量化法拉第效率(η_F)损失与背景浓度的关系。

能量消耗与规模效应

模型显示，处理1 ppb污染物所需比能耗低至10^-5 kWh/m³，且存在最优电极间距(δ_opt)平衡电阻损耗与泵送能耗(方程7)。市政规模(20百万加仑/天)处理时，即便计入90%法拉第损耗，太阳能效要求仍<0.1%(图2b-c)。

效率极限突破

传统PEC水分解受限于1.23V热中性电位，而PEC分离通过调节φ_b实现"电压自由"——当φ_b,opt=0.8V时，TiO₂(E_g=3.0 eV)的η_S可达PV极限的80%(图3c-d)。这种特性源于分离过程缺乏明确的反应热力学约束。

成本优势验证

在10 ppb处理场景，采用低效材料的PEC系统成本比PV+EC低15%，主要得益于：1) 省去PV组件平衡系统；2) 使用非晶金属氧化物薄膜(图6c)。但当处理>1 g/L高浓度流体时，因需更高η_S导致成本反转(图6d)。

该研究重新定义了PEC技术的应用边界：在低浓度水处理(如PFAS、铅去除)和资源富集(如锂回收)领域，材料效率不再是限制因素，反而成为降低成本的关键。这一发现为稳定但低效的半导体材料(如Fe₂O₃、WO₃)提供了商业化出口，同时指明未来研究应聚焦于：1) 开发宽电位窗口的氧化还原界面化学；2) 优化质量传递动力学；3) 抑制水解副反应(η_F损失需<10%，图5a)。论文建立的普适性热力学框架，为可再生能源驱动的精准分离技术奠定了设计基础。