新型混合光电化学-电解系统可持续制氢的实验研究与性能优化

为解决清洁能源需求与化石燃料污染问题，Mehmet Gursoy和Ibrahim Dincer团队设计了一种集成PEC（光电化学）与传统电解技术的混合反应器。该研究通过Cu2O涂层光电极优化、RSM（响应面法）参数分析及热力学评估，实现1.226 μg/s的产氢速率，能量/?效率达3.78%/3.86%，为间歇性太阳能利用提供了连续制氢方案。

　　

在全球能源转型背景下，氢能因其高能量密度和零排放特性成为关键能源载体，但传统制氢技术仍面临效率低、依赖化石燃料和间歇性太阳能利用等挑战。光电化学（PEC）水分解技术虽能直接利用太阳能产氢，却受限于光照条件；而常规电解虽稳定，但能耗高且需外部电力。如何整合两者优势，实现高效、连续的绿色制氢，成为当前研究的瓶颈。

国外研究团队开发了一种创新型混合PEC-电解系统，通过Cu₂O涂层光电极与双极阳极设计，首次实现无光照条件下的持续制氢。研究采用响应面法（RSM）优化操作参数，结合能量/?分析，证实系统在49 cm²活性面积下产氢速率达1.226 μg/s，相关成果发表于《Fuel》。

关键技术包括：（1）Cu₂O电沉积制备光电极，通过电化学阻抗谱（EIS）验证其电荷转移性能；（2）Design Expert软件设计Box-Behnken实验矩阵，分析温度（25–55°C）、流量（10–60 mL/min）和辐照度（0–800 W/m²）的影响；（3）热力学模型计算能量/?效率；（4）氯碱-电解耦合工艺同步产出H₂、Cl₂和NaOH。

系统设计与涂层优化

通过不锈钢基底电沉积Cu₂O形成p型半导体光阴极，EIS显示光照下电荷转移电阻（R_ct）降至5.8 Ω，较黑暗条件降低39%。紫外测试表明3 mm丙烯酸窗口可透射90%可见光，但过滤紫外波段可能影响宽光谱吸收。

参数交互作用分析

RSM模型（R²=0.965）揭示温度与太阳辐照的协同效应：52°C和800 W/m²组合时产氢速率最高（1.226 μg/s），而流量提升至60 mL/min可减少浓差极化。

热力学性能

系统在最优条件下能量效率为3.78%，?效率3.86%，表明光能-电能-化学能转换仍存在较大优化空间，主要损耗来自电极过电位和电解质欧姆电阻。

该研究通过材料工程与工艺优化，证明了混合系统在可再生能源整合中的潜力。未来可通过拓宽光电极吸收光谱（如构建Z型异质结）、开发抗腐蚀涂层提升稳定性，并探索有机分子氧化替代氯碱反应以增值化学品联产。这一设计为分布式氢能供应提供了技术原型，有望推动太阳能驱动的工业脱碳进程。