在追求碳中和的能源转型浪潮中，太阳能驱动的水分解制氢技术，一直被寄予厚望。然而，一个不容忽视的现实是：绝大多数光催化研究仍停留在实验室阶段。在模拟光源、恒温环境和纯净体系下表现卓越的催化材料，一旦置于真实太阳光下，往往面临性能急剧衰减的窘境—光谱波动、强度变化、温度周期及复杂环境因素，共同构成了从实验室走向实际应用的“第一道鸿沟”。
传统的光催化研究大多只存在于实验室级别，真正走向户外的实验少之又少。山东大学晶体材料国家重点实验室在《nature communications》报道了集成的太阳能驱动ows系统，并在户外搭建了5个模块的户外示范厂房，在自然光照下进行了为期一周的测试，平均太阳能到氢气的转换效率为1.21%。该光催化系统包括卤化物钙钛矿光催化剂（(mose₂负载ch(nh₂)₂pbbr₃-xix)）的析氢电池和含nife层双氢氧化物修饰bivo₄光催化剂的析氧电池。这些组件通过i₃⁻/i⁻氧化还原偶联桥接以促进电子转移，实现了高效的整体水分解，太阳能到氢的转换效率为2.47±0.03%。通过解决传统光催化系统固有的主要限制，例如单个电池中氢和氧的共发生以及由此产生的氢和氧复合的严重逆反应，为光催化系统设计引入了另一种概念，从而提高了效率和实用性。
图1 z方案太阳能水分解系统的示意图，其中h₂和o₂生产过程分离。净反应为水由i₃⁻/i⁻氧化还原穿梭介导分解产生h₂和o₂。her表示析氢反应。oer为析氧反应。nife-ldh/bivo₄代表改性bivo₄的nife层状双氢氧化。fpbi/mose₂代表负载钼硒化物的fapbbr₃-xix（fpbi，fa=ch(nh₂)²⁺）。cc表示碳布，fto表示氟掺杂氧化锡涂层玻璃。
图2 mose₂/fpbi复合材料的合成。a fapbbr₃ (fpb), fapbbr₃-xix (fpbi)和mose₂/fpbi复合材料的合成工艺示意图。十二面体代表钙钛矿颗粒，相应的结构图示显示在气泡中。为了简单起见，没有显示fa离子。b fpb, fpbi, mose₂/fpbi复合材料和模拟fpb的xrd图谱进行比较。c mose₂、fpb、fpbi和mose₂/fpbi的drs光谱。（b, c）中的“a.u”代表“任意单位”。d mose₂/fpbi的扫描电镜（sem）图像。插图为mose₂的sem图像。e mose₂/fpbi的高分辨率透射电子显微镜(hr-tem)图像。红色与蓝色框内插图分别对应fpbi和mose₂。
图3 带隙对齐与载流子动力学研究。a fapbbr₃-xix (fpbi)与mose₂的xps价带谱图。价带最高能级相对于标准氢电极（evbm, nhe）的值可按公式计算：
evbm, nhe = φ evb − 4.44，其中φ为仪器功函数（4.20 ev）。由此计算得fpbi与mose₂的evbm, nhe值分别为1.04 ev和1.11 ev。b fpbi与mose₂的tauc图。测定fpbi与mose₂的带隙(eg)分别为2.05 ev和1.14 ev。它们的传导带最小值（ecbm）可以用方程ecbm=evbm - eg推导出来，fpbi和mose₂的传导带最小值分别为−1.01 和 −0.03 ev。c fpbi能带结构示意图及氧化还原反应势能分布。fpbi（d）与mose₂/fpbi（e）的单粒子光致发光图像。fpbi与mose₂/fpbi的光致发光光谱（f）及时间分辨光致发光光谱（g）。曲线1–6分别对应图d和图e中标记的粒子点。图（a, b, f, g）中的“a.u.”表示“任意单位”。
图4 大型户外水分解平板系统。a 分解水分解串联单元的示意图b 分解水分解串联单元放大图，包含her电池和oer电池。上面的红色薄片是mose₂/ fapbbr₃-xix薄膜（10×10 cm²），下面的黄色薄片是nife-ldh/bivo4薄膜（5.5×7 cm²）。c户外大型实验模块图像：串联太阳能驱动整体水分解系统（5个单元）。(d) 氢电解子反应器结构布局和oer子反应器(e)的结构布局。f单元系统产物产率及对应sth数据（每个周期3小时，11:00-14:00） 数据采集地点为中国济南（东经117.0687°，北纬36.6795°），山东大学晶体材料国家重点实验室。数据采集周期为2023年10月27日至11月2日。sth效率误差条对应标准差，基于当日11:00至14:00不同时间点采集的7个样本。原始数据以源数据文件形式提供。g h₂演化速率、sth及光强依赖性曲线记录于sth峰值日——2023年10月29日。
山东大学在《nature communications》上报道的户外水分解系统，正是在自然光照、昼夜温差、季节变化等真实环境因素下进行的验证。这类研究的关键，在于能否在非恒温、非恒定光强、存在气象波动的实际条件下稳定运行。泊菲莱太阳能光伏光电（电）催化反应系统正是为这类真实场景下的光催化研究而生。系统支持在自然太阳光条件下进行持续、自动化的水分解实验，覆盖温度范围 -10℃ 至 50℃，适应辐照强度 200 w/m² 至 1000 w/m² 的光照波动，并可集成多种类型的催化电极与反应器结构。无论是z方案双电池系统，还是您所设计的复合催化材料，均可在此平台上进行户外性能验证与数据采集。
no.1 智能追光系统
太阳能光伏光电（电）催化反应系统的光伏板配备辐照检测器，可实时测定光伏板所在环境的光辐照强度，根据辐照强度调整光伏板倾斜角度，使得光伏板的光能利用率最大化。
no.2 高效利用
太阳能光伏光电（电）催化反应系统的反应器为板式结构，可有效提高电极催化材料的表面积，使得催化剂能更有效的与反应物接触。反应器的薄层结构可减少因扩散速率低导致反应物分布不均的问题，降低副反应的发生，提高产物选择性。反应器的流动体系在催化过程中可以提高电子和质子的传递速率，进而提高反应速率。
no.3 实时监测
太阳能光伏光电（电）催化反应系统可实时在线监测如辐照强度、电压、电流、氢气产量、ph值和温度等参数，以调节反应条件和优化反应效果。
no.4 分级循环
太阳能光伏光电（电）催化反应系统采用微型水泵推动液体流动，使反应溶液与电极充分接触。同时，产物端配置气泵，及时将反应过程中产生的气体产物从液体中分离收集，有效提高循环效率与反应速率。
no.5 灵活设计
太阳能光伏光电（电）催化反应系统可根据需求定制反应器规格、循环系统与监测方案，适配多样化的科研场景。
武汉理工大学户外光电催化平台
武汉理工大学定制光电催化水处理装置系统集成了光伏发电、太阳追踪、电解制氢与流体管理于一体，构建了一个完整的户外光（电）催化研究平台。
光电催化水处理装置系统其智能人机界面可实时监控并记录光伏功率、电解参数、温度等关键数据，支持u盘导出csv格式文件，实现从数据采集到初步分析的全流程自动化，为户外催化研究提供了坚实的数据基础。
迈向真实的能源未来
从实验室到户外，从理想条件到真实环境，太阳能光伏光电（电）催化反应系统正助力研究人员跨越“最后一公里”，揭示材料与系统在昼夜更替、天气变化等复杂工况下的真实性能。唯有经得起户外验证的技术，才真正具备迈向产业化的潜力。
