太陽能作為一種清潔、可再生的能源，其高效利用一直是科研領(lǐng)域的重要課題。在眾多太陽能應(yīng)用技術(shù)中，太陽能驅(qū)動的CO?還原制化學(xué)品技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢備受關(guān)注。該技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)碳排放的資源化回收利用，還能將太陽能穩(wěn)定存儲，為達(dá)成國家“雙碳目標(biāo)”提供了綠色負(fù)碳的技術(shù)路徑。然而，傳統(tǒng)的單一光熱化學(xué)、光電化學(xué)、光催化CO?還原技術(shù)路線，在太陽能不同波段能量的利用上各有側(cè)重，難以實(shí)現(xiàn)全光譜的高效轉(zhuǎn)化利用，這在一定程度上限制了該技術(shù)的發(fā)展。
針對這一難題，科研人員提出了一種創(chuàng)新的解決方案。他們以聚光太陽能驅(qū)動的光熱/光電轉(zhuǎn)化模塊耦合系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了全新的太陽能全光譜利用機(jī)制。該機(jī)制的核心在于將熱能傳遞給光電化學(xué)模塊，以此促進(jìn)CO?的高效轉(zhuǎn)化。為了深入探究這一系統(tǒng)的性能，科研人員運(yùn)用多物理場仿真軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了光熱耦合計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在光場、溫度場、流場分布上具有獨(dú)特的特點(diǎn)，并且明確了其工作特征。在30倍聚光條件下，系統(tǒng)的熱產(chǎn)出效率能夠達(dá)到80%，這一數(shù)據(jù)充分證明了該系統(tǒng)在熱能利用方面的優(yōu)勢。
在太陽能的實(shí)際應(yīng)用中，聚光器是提升能量密度的常用手段。通過聚光器，可以獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率和光熱回收效率。同時(shí)，結(jié)合光譜分頻技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能的全光譜利用。其中，CPVT（Concentrated Photovoltaic/Thermal，聚光光電/光熱）技術(shù)因其效率、成本和靈活性方面的顯著優(yōu)勢，成為了廣泛研究的對象。例如，Haussener等基于CPVT系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了千瓦級制氫。CPVT系統(tǒng)主要由光電部分與光熱部分組成，光電部分負(fù)責(zé)將短波光（400～1100 nm）轉(zhuǎn)化為電能，光熱部分則通過工質(zhì)吸收長波光（>1100 nm）能量以及光電部分的冷卻熱。
不過，CPVT系統(tǒng)也存在一些問題。由于光電與光熱部分通過熱耦合的方式結(jié)合，二者溫度同步變化。隨著溫度升高，光電轉(zhuǎn)換效率會隨著熱回收效率的升高而下降，而且系統(tǒng)的集熱溫度總是低于光電的工作溫度，這導(dǎo)致為了保證光電的正常工作，熱產(chǎn)出受到限制。因此，CPVT的熱產(chǎn)出多應(yīng)用于太陽能蒸餾、海水淡化、建筑供暖等中低溫?zé)崂脠鼍?。雖然這些方案解決了CPVT的熱利用問題，但卻使得光電利用和光熱利用成為兩條獨(dú)立路線，增加了系統(tǒng)的整體復(fù)雜性，多個(gè)環(huán)節(jié)間的能量傳遞損失也降低了太陽能的整體利用效率。如何將光電能量與光熱能量耦合利用，協(xié)同作用于產(chǎn)物輸出，成為了當(dāng)下太陽能利用領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。
在電催化CO?還原領(lǐng)域，Ag作為催化劑具有能量轉(zhuǎn)換效率高、產(chǎn)物選擇性高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于太陽能驅(qū)動的CO?還原中。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)升高M(jìn)EA（Membrane Electrode Assembly，膜電極電解池）的工作溫度，會提高CO?還原產(chǎn)物的法拉第效率及選擇性?；谶@些特性，科研人員提出了將熱能用于電催化CO?還原的輔助供能機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)了光熱電耦合驅(qū)動的CO?還原。他們通過多物理場仿真計(jì)算，深入分析了該系統(tǒng)的光學(xué)及熱力學(xué)特性，并通過室外測試驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。
室外測試結(jié)果令人振奮。與傳統(tǒng)的光伏/電解路線相比，引入光熱電耦合機(jī)制后，CO?還原產(chǎn)物CO的法拉第效率從90%提升至95%以上，并且穩(wěn)定性良好。同時(shí)，CO的日產(chǎn)量可達(dá)26.31 L。這一成果充分證明了光熱電耦合利用機(jī)制在太陽能驅(qū)動CO?還原中的有效性，為太陽能全光譜利用提供了新的方法和思路。
